Wie Europa konkurrenzfähig werden kann
Das Fraunhofer IWS entwickelt gemeinsam mit der Industrie ein preiswertes Trockenverfahren zur Herstellung von Elektroden. Es löst das energieaufwändige und ökologisch bedenkliche Nassverfahren ab, das heue Stand der Technik ist.
Foto: panthermedia.net/eyematrix
Europa will eine eigene Produktion für Batteriezellen aufbauen. Eine Innovation von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden könnte den Weg dahin ebnen. Zu den Haupthindernissen für eine Eigenproduktion gehört der hohe Verbrauch an Strom, der die Kosten in die Höhe treibt. Aus diesem Grund ist die Zellenproduktion weitgehend in Fernost konzentriert. Strom ist dort günstig, weil er vor allem in Kern- und – oft sehr alten und damit emissionsstarken – Kohlekraftwerken produziert wird.
Verzicht auf giftige Lösungsmittel
IWS-Projektleiter Benjamin Schumm hat mit seinem Team den Nassprozess bei der beidseitigen Beschichtung von Aluminiumfolien mit aktivem Material, etwa einer Lithiumverbindung, durch einen Trockenprozess ersetzt. „Die Hersteller können dadurch auf giftige und teure Lösungsmittel verzichten und Energiekosten bei der Trocknung sparen“, so Schumm. Bisher wird das aktive Material in Form einer Paste aufgetragen. Diese enthält unter anderem giftige und teure Lösungsmittel, die einen aufwändigen Arbeitsschutz erfordern, was die Kosten weiter treibt. In einem Trockenofen, der meist mit elektrischer Energie betrieben wird, muss diese Paste getrocknet werden.
So sehen die mit der neuen Trockentransfertechnologie beschichteten Elektroden aus.
Foto: Fraunhofer IWS Dresden/Daniel Koebbel
Polymere halten das Aktivmaterial zusammen
Das neue Transferverfahren zur Trockenbeschichtung kommt ohne diese ökologisch bedenklichen und teuren Prozessschritte aus. Die IWS-Forscher vermischen das pulverförmige Aktivmaterial mit so genannten bindenden Polymeren, das sind Kunststoffpartikel, die ähnlich wirken wie Klebstoff. In einer Walzanlage, Kalander genannt, wird aus diesem Gemisch ein rund 100 Mikrometer dicker flexibler Elektrodenfilm, der anschließend auf die Aluminiumfolie gepresst wird. Dank der Polymere haftet er dort fest. „Das Verfahren hat das Potenzial, auf lange Sicht die herkömmlichen Prozesse zur pastenbasierten Elektrodenherstellung zu verdrängen“, sagt Schumm.
Chancen für neue Batteriegenerationen
„Auf diese Weise können wir auch Materialien für neue Batteriegenerationen verarbeiten, bei denen die klassischen Verfahren versagen“, sagt Schumm. Er denkt dabei an Kalium, Natrium und vor allem an Schwefelverbindungen, die das rare und damit teure Lithium ersetzen könnten. Oder an Elektroden aus reinem Metall, die die Batteriekapazität drastisch verbessern können, wenn es gelingt, sie zu stabilisieren. Eine weitere Option sind Festkörperbatterien, deren Elektrolyte, also die Trennschicht zwischen den Elektronen, die isoliert, aber dennoch geladene Teilchen wie Ionen passieren lassen, aus festem Material bestehen. Dieses kann, im Gegensatz zu flüssigen Elektrolyten, die heute weitgehend eingesetzt werden, weder brennen noch explodieren.
Pilotanlage läuft in Finnland
Das finnische Batterieunternehmen „BroadBit Batteries“ hat in seiner Fabrik in Espoo gemeinsam mit dem IWS jetzt eine Pilotanlage in Betrieb genommen, die Elektroden im Trockenfilmverfahren beschichtet. Die Finnen stellen damit neuartige Natrium-Ionen-Batterien her. „Die Nachfrage nach unserer Technologie ist groß, auch in Deutschland“, so Schumm. Die Anlage beschichtet im kontinuierlichen Betrieb mehrere Meter pro Minute. Gemeinsam mit den Finnen sowie den Unternehmen Saueressig (Duisburg), INDEV (Hügelsheim/Baden-Württemberg) und Netzsch Trockenmahltechnik (Hanau) entwickelt das IWS jetzt eine industrielle Anlage, die deutlich schneller beschichten soll. Dieses Projekt namens „DryProTex“ unterstützt das Bundesministerium für Bildung und Forschung.
Ein wichtiger Schritt für Europa? Denn erst kürzlich berichteten wir darüber, dass Europa alternative Akku-Technologien vernachlässige.
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