Projekt EPIC Optimiertes Trocknungsmanagement in der Elektrodenherstellung

Herstellung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien: Das Aktivmaterial wird als Paste aufgetragen und anschließend getrocknet.
Herstellung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien: Das Aktivmaterial wird als Paste aufgetragen und anschließend getrocknet.

Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien schneller und energieeffizienter zu trocknen und damit kostengünstiger herzustellen – darauf zielt das am Karlsruher Institut für Technologie koordinierte neue Projekt EPIC.

In Batteriezellen auf der Basis von Lithium-Ionen, beispielsweise für zukünftige Elektroautos, sind die Elektrodenschichten entscheidend: Diese Aktivmaterialien speichern die Energie. Sowohl das Anoden- als auch das Kathodenmaterial wird als wasser- oder lösemittelbasierte Paste in einer dünnen Schicht auf je eine Stromableiterfolie aus Kupfer und Aluminium aufgetragen. Die Herstellung der Elektroden benötigt viel Zeit und treibt die Investitions- und Produktionskosten nach oben. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat ein Forscherteam der Gruppe Thin Film Technology (TFT) ein Beschichtungsverfahren entwickelt, mit dem sich Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien im Labor so schnell wie nie zuvor produzieren lassen. Die nachfolgenden Prozessschritte, das heißt die Trocknung mit Strukturausbildung und Nachtrocknung, bilden allerdings derzeit noch einen Flaschenhals, der die Erhöhung der Durchsatzgeschwindigkeit der gesamten Elektrodenherstellung verhindert.

Die Batterieproduktionskosten insgesamt zu reduzieren und speziell die Energiekosten bei der Elektrodentrocknung um mindestens 20 Prozent zu senken – darauf zielt das Projekt »Erhöhung der Durchsatzgeschwindigkeit in der Elektrodenproduktion durch ein innovatives Trocknungsmanagement«, kurz EPIC, an dem neben dem KIT auch das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) sowie die Technische Universität Braunschweig beteiligt sind. Hier wird daran gearbeitet, die Trocknungsgeschwindigkeit um mindestens 50 Prozent zu erhöhen. Dabei gilt es, Qualität und Langzeitstabilität der Elektroden zu erhalten oder sogar weiter zu verbessern. Im Projekt geht es nicht nur um Trocknungs- und Nachtrocknungstechnologien, die Energieeffizienz und hohe Qualität vereinen, sondern auch um ein optimal auf die Materialien abgestimmtes Feuchtemanagement entlang der Prozesskette – von der Trocknung bis hin zur Zellassemblierung. Die Gruppe TFT befasst sich mit konventionellen Trocknungsverfahren und dem Einsatz von Hochleistungsstrahlern sowie mit dem gesamten Trocknungsmanagement.

Das KIT untersucht sowohl die Nachtrocknung direkt im Zellstapel vor der Elektrolytbefüllung als auch das Einstellen der benötigten Zellfeuchte ohne vorangegangene Nachtrocknung im Zellstapel direkt vor der Elektrolytbefüllung. In allen Fällen evaluiert das Institut zusammen mit der Technischen Universität Braunschweig, wie Trocknungsintensität und -dauer die Zelleigenschaften beeinflussen. Das ZSW wird auf seiner Forschungsproduktionslinie, auf der sich Batteriezellen im industriellen Maßstab herstellen lassen, unter regulierter Produktionsatmosphäre die Feuchteexposition in einem mit der Serienzellfertigung vergleichbaren Maßstab abbilden.

Die Projektpartner bewerten die verschiedenen Produktionsansätze anhand geeigneter Prozess-Kosten-Modelle und geben Handlungsempfehlungen für die Übertragung in einen industriellen Produktionsprozess. Neben der Energie- und Ressourceneffizienz sowie der Batteriezellqualität beziehen sie dabei auch die Umweltverträglichkeit der verschiedenen Ansätze ein. Die Gruppe TFT entwickelt ihre Technologien zur Elektrodenherstellung auch für zukünftige neue Materialsysteme.