Neues Produktionskonzept zur Trockenbeschichtung von Kathoden

Traktionsbatterien gelten bekanntlich als einer der größten Kostenfaktoren für die Produktion von Elektroautos. Eine wichtige Rolle bei der Zellherstellung kommt dabei den Elektroden zu, also Anoden und Kathoden. Diese werden bislang meist nasschemisch prozessiert: Aktivmaterial, Leitadditive und Binder werden dabei in Lösungsmitteln verarbeitet, auf Folien aufgetragen und anschließend energieintensiv getrocknet.

Eine spannende Alternative dazu stellt die Trockenbeschichtung von Kathoden dar, ein bislang kaum praktiziertes Verfahren, das Tesla schon länger für seine 4680er Zellen plant, aber damit nur schleppend vorankommt. Ein deutsches Forschungsprojekt namens ProLiT, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wurde, hat nun untersucht, wie sich ein solches Verfahren in Europa industriell skalieren lässt. Beteiligt an dem Projekt waren IBU-tec, Daikin Chemicals, TU Braunschweig, Universität Münster, Maschinenfabrik Gustav Eirich, Coperion K-Tron, Matthews International/ Saueressig Engineering, CustomCells sowie der Autohersteller BMW.

Das Reizvolle an der Trockenbeschichtung von Kathoden: Sie verzichtet vollständig auf Lösungsmittel. Das spart nicht nur Trocknungsöfen und Rückgewinnungsanlagen, sondern reduziert den Energiebedarf der Elektrodenfertigung drastisch – ein zentraler Hebel für Kosten, CO2-Bilanz und Fabrikkomplexität.

In einem Whitepaper (PDF-Download hier) stellt das ProLiT-Projekt nun ein detailliertes Industrialisierungskonzept für eine Trockenbeschichtung-Produktionslinie im Gigawattstunden-Maßstab auf. Im Zentrum des ProLiT-Ansatzes steht ein kalanderspaltbasierter Trockenprozess. Statt einer flüssigen Paste wird ein fein abgestimmtes Pulvergemisch verarbeitet.

Eine Schlüsselrolle spielt dabei der Binder PTFE. Unter gezielter Scherung und Temperatur bildet PTFE feine Fibrillen, die Aktivmaterial und Leitadditive zu einem stabilen Netzwerk verbinden. Dieses Pulver-zu-Film-Prinzip ermöglicht es, im Kalander schrittweise eine homogene Elektrodenschicht zu formen und direkt auf den Stromableiter zu laminieren. Dabei wurde auch nachgewiesen, dass sowohl LFP- als auch NMC-Kathoden mittels PTFE- und kalanderspaltbasierter Trockenbeschichtung hergestellt werden können.

Das Whitepaper zeigt detailliert auf, welche Materialdurchsätze für eine Gigafactory notwendig sind, etwa: rund 1.300 bis 1.800 Tonnen Kathodenaktivmaterial pro Jahr (je nach Chemie), kontinuierliche Durchsätze im Bereich von 160 bis 220 kg pro Stunde, Kalandergeschwindigkeiten von etwa 17–21 Metern pro Minute. Bereits mit den heute verfügbaren Maschinen – insbesondere Mehrwalzenkalandern – soll diese Größenordnung technisch machbar, so die Autoren.

Allerdings liegen beim Aufbau einer solchen Produktionsstrecke große Herausforderungen in der homogenen Binderverteilung im Pulver, der präzisen Dosierung eines schlecht fließenden Materials, der Prozessstabilität über große Breiten und Laufzeiten, sowie in bislang fehlenden Inline-Qualitätsmessungen für trockene Elektroden.

ibu-volt.de