Lithium-Ionen-Batterien

Mit neuem Beschichtungsverfahren Batterien schneller fertigen

| Redakteur: Katharina Juschkat

Präzise Kanten bei neuer Rekordgeschwindigkeit: Neues Verfahren erhöht Produktionskapazität von Batterieelektroden deutlich.
Präzise Kanten bei neuer Rekordgeschwindigkeit: Neues Verfahren erhöht Produktionskapazität von Batterieelektroden deutlich. (Bild: Ralf Diehm, KIT)

Ein Forscherteam am KIT hat ein neues Beschichtungsverfahren in der Batterieproduktion entwickelt, dass eine fast viermal schnellere Beschichtung von Elektroden ermöglicht.

Von der effizienten Batteriefertigung hängt viel ab, denn der Bedarf an Elektromobilität wächst. Eine schnellere Herstellung würde zu enormen Kosteneinsparungen führen. Ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist mit einem neuen Beschichtungsverfahren die bislang schnellste Produktion von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien gelungen. Gleichzeitig verbessert das neue Verfahren die Qualität der Elektroden und reduziert die Produktionskosten.

Lithium-Ionen-Batterien sind teurer als heute nötig wäre

Beim Herstellen von Elektroden für Batterien wird Elektrodenmaterial als dünne Paste in einem rechteckigen Muster auf eine Folie aus Kupfer oder Aluminium aufgetragen. Unterbrochen ist das Muster von kurzen Abschnitten unbeschichteter Folie, die zur Ableitung der Elektronen unerlässlich sind. Hier liegt auch das Problem, denn für diese Abschnitte muss der Beschichtungsprozess immer wieder unterbrochen und neu gestartet werden. Eine besondere Herausforderung besteht dabei darin, scharfe Kanten ohne ein Verschmieren des Materials bei gleichzeitig sehr hohen Produktionsgeschwindigkeiten zu ermöglichen.

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Prof. Wilhelm Schabel vom KIT erklärt: „Präzision bei der Elektrodenbeschichtung ist ein ganz wesentlicher Faktor für die Effizienz und die Kosten der gesamten Batteriezellenproduktion.“ Selbst kleine Produktionsfehler machen Batteriezellen unbrauchbar. „Aufgrund des hohen Ausschusses und des geringen Durchsatzes sind Lithium-Ionen-Batterien heute teurer, als es eigentlich notwendig wäre.“ Gerade dieser Bereich ermögliche die höchsten Kosteneinsparungen in der Zellfertigung, betont Schabel.

Fast viermal schneller Elektroden beschichten

Eine entscheidende Weiterentwicklung gelang nun dem Doktoranden Ralf Diehm in Schabels Gruppe. Er hat die Düse für das Elektrodenmaterial mit einer schwingenden Membran, die das Auftragen der Beschichtungspaste zyklisch stoppt und wieder startet, ausgestattet und weiterentwickelt. Diehm erklärt: „Da diese Membran im Vergleich zu mechanischen Ventilen viel leichter ist, sind sehr schnelle Reaktionszeiten und somit hohe Geschwindigkeiten möglich.“ Bislang waren Hersteller auf Geschwindigkeiten von etwa 30 bis 40 Meter pro Minute begrenzt. „Mit der neuen Technologie erreichen wir bis zu 150 Meter pro Minute bei der Elektrodenbeschichtung.“

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Neben einer höheren Produktionsgeschwindigkeit hat ein Wegfall mechanischer Teile in der Auftragsdüse noch weitere Vorteile für die Elektrodenherstellung: Weil sich die Membran viel präziser steuern lässt als mechanische Ventile, verbessert sich die Fertigungsqualität und der Ausschuss verringert sich. Die Technologie soll nun im Rahmen eines Spin-offs von Ralf Diehm und seinem Team vom Labor zur industriellen Produktion überführt werden.

Problem: Trocknungszeiten

Allerdings gibt es noch ein Hindernis, damit die schnellere Elektrodenbeschichtung auch eine Auswirkung auf die gesamte Batterieherstellung hat. Das erklärt Dr. Philip Scharfer vom KIT, der gemeinsam mit Prof. Schabel seit Jahren zu diesem Thema forscht: „Eine schnellere Beschichtung erfordert kürzere Trocknungszeiten. Andernfalls müssten Trocknerstrecke und damit die gesamte Anlage entsprechend vergrößert werden.“

Auf Basis von grundlegenden Untersuchungen unterschiedlicher Trocknungsbedingungen konnte am KIT bereits eine wissensbasierte Optimierung des Trocknungsprozess erfolgen, der die Trocknungszeit bei gleichbleibenden Elektrodeneigenschaften um etwa 40 Prozent reduziert. Im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungscluster „Prozell II“ sollen diese Arbeiten nun gemeinsam mit Partnern von der TU Braunschweig und dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg in Ulm weitergeführt werden.

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