MEET Team entwickelt Verfahren zur Trockenprozessierung von Elektroden
Um Elektroden umweltfreundlicher und kostengünstiger herstellen zu können, haben Wissenschaftler*innen des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster eine Rezeptur für deren Trockenprozessierung entwickelt. Dabei kann vollständig auf teure, zum Teil toxische, organische Lösungsmittel wie etwa N-Methylpyrrolidon (NMP) verzichtet werden. Das Verfahren ist ein Ergebnis aus dem Kooperationsprojekt ProLiT (Prozess- und Materialentwicklung von Lithium-Ionen-Batteriekathoden für die großtechnische Trockenbeschichtung), das bis Ende April 2025 läuft und vom Bundesministerium für Bild und Forschung gefördert wird.
Mehrlagige Pouch-Zellen mit trockenprozessierten Elektroden assembliert
Um das Verfahren zur Trockenprozessierung entwickeln zu können, forschten das MEET Team insbesondere an innovativen Materialien und deren Komposition sowie Mischprozessen. Ausgangspunkt stellte die Wahl des passendes Binders dar: Mit Polyetrafluorethylen (PTFE) nutzten sie einen Hochtemperaturkunststoff, der bei erhöhten Temperaturen unter mechanischer Schereinwirkung plastisch deformiert und zerfasert werden kann und dadurch die restlichen Elektrodenkomposite miteinander verbindet – ähnlich einem Spinnennetz. Zu Beginn des Prozesses vermischte das Forschungsteam die Elektrodenmaterialien wie Aktivmaterial, Leitruß und Binder, um ein homogenes Granulat zu erhalten. Dieses Granulat wurde anschließend in einem beheizten Kalander zu einem Film geformt und so lange bearbeitet, bis die gewünschte Filmdicke und Massenbeladung erreicht wurde. Mittels Druck wurde der Film abschießend auf den Stromsammler aufgebracht.
Diesen Prozess skalierten die Projektpartner*innen, unter ihnen das Institut für Partikeltechnik (iPAT) der TU Braunschweig und der Automobilkonzern BMW, hoch und fertigten doppelseitige Elektroden. „Im Ergebnis konnten wir die Rezeptur zur Trockenprozessierung entwickeln und abschließend mehrlagige Pouch-Zellen erfolgreich assemblieren“, fasst MEET Forscherin Dr. Katrin Junghans die Resultate des Projekts ProLiT zusammen.
Ein weiterer Vorteil: In der Herstellung trockenprozessierter Elektroden wird ein geringerer Binder-Anteil im Vergleich zu nassprozessierten Elektroden benötigt. Dadurch erreichen sie eine höhere Energiedichte und sind somit vielversprechend für Anwendungen mit hohem Energiebedarf. Optimierungspotenzial sieht das Wissenschaftsteam insbesondere noch darin, die prozessbedingte Mikrostruktur der Elektroden und deren Einfluss auf die Langzeitzyklenstabilität tiefergehender entschlüsseln zu können.
Starke Kooperation aus Industrie und Wissenschaft
Im ProLiT-Projekt widmen sich seit 2022 starte Partner*innen aus Industrie und Wissenschaft der Prozess- und Materialentwicklung von Lithium-Ionen-Batteriekathoden für die großtechnische Trockenbeschichtung. Weitere Beteiligte sind die Custom Cells Holding GmbH, Coperion GmbH, Matthews International GmbH (Saueressig Engineering), Umicore NV/SA, DAIKIN Chemical Europe GmbH, IBU-tec advanced materials AG und Maschinenfabrik Gustav Eirich GmbH & Co. KG.