Unternehmen und Forscher arbeiten bereits fieberhaft an Batterien der neuesten Generation. Da deren Marktreife noch auf sich warten lässt, liegt der Fokus parallel weiter auch auf den derzeit in Elektronikgeräten und Elektroautos üblichen Lithium-Ionen-Batterien. Forscher des des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) wollen die Produktion aktueller Batterieelektroden deutlich beschleunigen.
Einem Team des KIT ist mit einem neuen Beschichtungsverfahren die eigenen Angaben nach bislang schnellste Produktion von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien gelungen. Das Verfahren verbessere zudem die Qualität der Elektroden und reduziere die Produktionskosten. Eine Elektrodenfertigung „in Rekordgeschwindigkeit“ bei gleichzeitig hoher Fertigungsqualität ermögliche erhebliche Kosteneinsparungen für die Zellherstellung. Auf einer typischen Fertigungslinie könnten Elektroden für bis zu dreimal so viele Batteriezellen hergestellt werden und so dazu beitragen, den wachsenden Bedarf für die E-Mobilität zu decken.
Beim Herstellen von Elektroden für Batterien wird Elektrodenmaterial als dünne Paste in einem rechteckigen Muster auf eine Folie aus Kupfer oder Aluminium aufgetragen. Unterbrochen ist das Muster von kurzen Abschnitten unbeschichteter Folie zur Ableitung der Elektronen. Für diese Abschnitte muss der Beschichtungsprozess immer wieder gestoppt und neu gestartet werden. Eine besondere Herausforderung bestehe dabei darin, scharfe Kanten ohne ein Verschmieren des Materials bei gleichzeitig sehr hohen Produktionsgeschwindigkeiten zu ermöglichen, so die Wissenschaftler.
„Präzision bei der Elektrodenbeschichtung ist ein ganz wesentlicher Faktor für die Effizienz und die Kosten der gesamten Batteriezellenproduktion“, sagt Professor Wilhelm Schabel vom Institut für Thermische Verfahrenstechnik – Thin Film Technology (TVT-TFT), der am KIT für die Forschung zu diesem Thema verantwortlich ist. „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.“
Schnellere Beschichtung möglich
Eine entscheidende Weiterentwicklung gelang nun dem Doktoranden Ralf Diehm in Schabels Gruppe: Er 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“, erläutert Diehm. „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.“
Neben einer höheren Produktionsgeschwindigkeit hat ein Wegfall mechanischer Teile in der Auftragsdüse weitere Vorteile für die Elektrodenherstellung: Weil sich die Membran viel präziser steuern lässt als mechanische Ventile, verbessert sich die Fertigungsqualität und der Ausschuss verringert sich. Die Technologie soll nun im Rahmen eines Spin-offs von Diehm und seinem Team vom Labor zur industriellen Produktion überführt werden.
Offen gesprochen meint
Fragt sich nur, ob das Verfahren auch für neue Elektrodenmaterialien geeignet ist.
JoSa meint
Was hier nicht steht, steht dort…
Forschungsplattform CELEST als Technologietreiber
Eine Elektrodenfertigung in Rekordgeschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Fertigungsqualität ermöglicht erhebliche Kosteneinsparung für die Zellherstellung. Auf einer typischen Fertigungslinie können Elektroden für bis zu dreimal so viele Batteriezellen hergestellt werden und so dazu beitragen, den wachsenden Bedarf für die Elektromobilität zu decken. Die TFT entwickelt ihre Technologien zur Elektrodenherstellung – auch für zukünftige neue Materialsysteme – als Teil des Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe (CELEST), einer der weltweit größten Forschungsplattformen im Bereich der Batterieforschung.
Jensen meint
„Auf einer typischen Fertigungslinie könnten Elektroden für bis zu dreimal so viele Batteriezellen hergestellt werden und so dazu beitragen, den wachsenden Bedarf für die E-Mobilität zu decken.“
Das wird die fernöstlichen Zellenhersteller freuen, wenn das möglich wäre. Wobei man auch davon ausgehen kann, dass diese Firmen, die bereits höchst aktiv und seit Jahren mit der Produktion von Batteriezellen zu tun haben, auch Wissenschaftler, Entwickler und Forscher beschäftigen, die an der Optimierung von Produktionsprozessen werkeln.
Michael meint
Das wird die Chinesen freuen. In Deutschland braucht das ja keiner.
Wännä meint
…und Herr Diehm wird sich wohl auch freuen, falls er und das KIT das Patent dorthin verkaufen dürfen.
Peter W meint
Haha, wieso Patent kaufen. Da reicht ein chinesischer Student, und die „erfinden“ fast das selbe innerhalb kürzester Zeit.
Ja, wir Deutschen sind immer noch gute Forscher und Erfinder, aber es ist doch sicherer so lange Althergebrachtes zu bauen bis es keiner mehr haben will.
Pferd_Dampf_Explosion_E meint
Ja, die Deutschen rennen immer wieder mit größter Freude virtuellen Märkten hinterher ….