KIT-Forscher arbeiten an „Batterieproduktion in Rekordgeschwindigkeit“

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.