Karlsruher Forscher produzieren Batterien in Rekordgeschwindigkeit

© Ralf Diehm, KIT

Karlsruhe - Mit einem neuen Beschichtungsverfahren gelingt einem Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) die bislang schnellste Produktion von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien. Gleichzeitig verbessert sich mit dem neuen Verfahren die Qualität der Elektroden, auch die Kosten werden reduziert.

Die Herstellung der Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien ist aufgrund der hohen Präzision, die bei der Beschichtung gewährleistet werden muss, langwierig. Forschern am KIT ist es gelungen, diesen Prozess mit einem neuen Verfahrensansatz auf der Grundlage eines neuen Spritzdüsendesigns zu optimieren. Damit kann die Produktionsgeschwindigkeit erhöht, die Kosten können gesenkt werden.

Schnellere Beschichtung mittels Membrandüse
Bei der Herstellung von Batterie-Elektroden wird Elektrodenmaterial als dünne Paste in einem rechteckigen Muster auf eine Kupfer- oder Aluminiumfolie aufgetragen. Unterbrochen ist das Muster von kurzen unbeschichteten Abschnitten, die zur Ableitung der Elektronen unerlässlich sind. Dazu muss der Beschichtungsprozess immer wieder unterbrochen und neu gestartet werden. Eine besondere Herausforderung besteht unter Kosten- und Effizienz-Gesichtspunkten in der Vermeidung scharfer Kanten und der Vermeidung von Material-Verschmierungen bei gleichzeitig möglichst hohen Produktionsgeschwindigkeiten. So können der Ausschuss und die Batteriekosten reduziert werden.

Eine entscheidende Weiterentwicklung ist am KIT nun dem Doktoranden Ralf Diehm gelungen, der zur Gruppe von Professor Wilhelm Schabel vom Institut für Thermische Verfahrenstechnik – Thin Film Technology (TVT-TFT) am KIT gehört. Diehm hat die Düse für das Elektrodenmaterial mit einer schwingenden Membran, die das Auftragen der Beschichtungspaste zyklisch stoppt und wieder startet, ausgestattet und weiterentwickelt. 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“, so Diehm. Weil die Membran viel präziser gesteuert werden kann, verbessert sich zudem auch die Fertigungsqualität und der Ausschuss verringert sich. Die Technologie soll nun im Rahmen eines Spin-offs vom Labor zur industriellen Produktion überführt werden.

Schnellere Trocknung durch systematische Prozessoptimierung
Damit die Batterieherstellung insgesamt von einer schnelleren Elektrodenbeschichtung profitiert, muss die Fertigung allerdings auch beim Trocknungsprozess optimiert werden, da eine schnellere Beschichtung auch kürzere Trocknungszeiten erfordert. Ansonsten müssten Trocknerstrecke und damit die gesamte Anlage entsprechend vergrößert werden.

Auf der Basis von grundlegenden Untersuchungen unterschiedlicher Trocknungsbedingungen konnte am KIT eine wissensbasierte Optimierung des Trocknungsprozess erfolgen, der die Trocknungszeit bei gleichbleibenden Elektrodeneigenschaften um etwa 40 Prozent reduziert. Diese Arbeiten sollen nun gemeinsam mit Partnern von der TU Braunschweig und dem ZSW Baden-Württemberg in Ulm in dem vom Bundesforschungsministerium geförderten Forschungscluster ProZell II weitergeführt werden.