Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) vermeldet einen neuen Erfolg in der Batterieforschung: mit dem von den Wissenschaftlern entwickelten neuen Beschichtungsverfahren sei die bislang schnellste Produktion von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien gelungen. Außerdem soll das Verfahren die Qualität der Elektroden verbessern und die Produktionskosten reduzieren.
Das Elektrodenmaterial wird beim Herstellen von Elektroden für Batterien als dünne Paste in einem rechteckigen Muster auf eine Folie aus Kupfer oder Aluminium aufgetragen. Das Muster wird dabei von kurzen Abschnitten unbeschichteter Folie unterbrochen, was zur Ableitung der Elektronen unerlässlich ist – der Beschichtungsprozess muss für diese Abschnitte immer wieder unterbrochen und neu gestartet werden. Laut KIT besteht die besondere Herausforderung dabei darin, ohne ein Verschmieren des Materials scharfe Kanten bei gleichzeitig sehr hohen Produktionsgeschwindigkeiten zu realisieren. Durch Optimierungen seien in diesem Bereich die höchsten Kosteneinsparungen in der Zellfertigung möglich.
Forschungsteam gelingt schnellere Beschichtung mittels Membrandüse
Professor Wilhelm Schabel vom Institut für Thermische Verfahrenstechnik – Thin Film Technology (TVT-TFT), der am KIT für die Forschung zu diesem Thema verantwortlich ist, 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.“
Dem Doktoranden Ralf Diehm gelang nun nach Aussagen des KIT eine entscheidende Weiterentwicklung, indem er die Düse für das Elektrodenmaterial mit einer schwingenden Membran ausgestattet und weiterentwickelt hat. Diese Membrandüse stoppt und startet das Auftragen der Beschichtungspaste zyklisch. Zudem lasse sich die Membran viel präziser steuern als mechanische Ventile, wodurch sich die Fertigungsqualität verbessere und der Ausschuss verringert werde.
„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“, erläutert Ralf Diehm.
Dr. Philip Scharfer, Leiter der Gruppe Thin Film Technology (TFT) am KIT, fügt hinzu: „Eine schnellere Beschichtung erfordert kürzere Trocknungszeiten. Andernfalls müssten Trocknerstrecke und damit die gesamte Anlage entsprechend vergrößert werden.“
Dem Forschungsteam ist es nach eigener Aussage bereits gelungen, die Trocknungszeit bei gleichbleibenden Elektrodeneigenschaften um etwa 40 Prozent zu reduzieren. Die neue Technologie soll nun im Rahmen eines Spin-offs von Ralf Diehm und seinem Laborteam zur industriellen Produktion überführt werden.
