Forskare vid Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS i Dresden har utvecklat en ny produktionsprocess med syftet att effektiv och miljövänlig framtida batteriproduktion. De belägger energilagringscellernas elektroder med en torr film istället för flytande kemikalier. Denna förenklade process sparar energi och eliminerar giftiga lösningsmedel. Ett finskt företag testar för närvarande framgångsrikt den nya IWS-tekniken i praktiken.

Bättre och mer kostnadseffektiva produktionsmetoder för energilagring efterfrågas alltmer, speciellt i Tyskland:Alla stora biltillverkare har lanserat ambitiösa elfordonsprogram som kommer att säkerställa en kraftig ökning av efterfrågan på batterier. Än så länge, Tyska företag har köpt cellerna för detta ändamål i Asien. Det finns två huvudorsaker som driver denna trend:asiatiska teknikkoncerner har många års erfarenhet av massproduktion av battericeller och mycket energi går åt i dessa processer. Produktion på orter med höga elpriser, som Tyskland, är, därför, mycket hög kostnad.

Inga mer giftiga lösningsmedel – lägre elkostnader

Det är exakt detta faktum som Saxon Fraunhofers ingenjörer vill ändra:"Vår torröverföringsbeläggningsprocess syftar till att märkbart minska processkostnaderna för elektrodbeläggning, " betonar IWS projektledare Dr. Benjamin Schumm. "Tillverkare kan eliminera giftiga och dyra lösningsmedel och spara energikostnader under torkning. Dessutom, vår teknologi underlättar också användningen av elektrodmaterial som är svåra eller till och med omöjliga att bearbeta våtkemiskt."

Men dessa material behövs för framtida batterier med högre energitäthet. "Av alla dessa skäl, vi tror att vår teknik kan bidra till att uppnå internationellt konkurrenskraftig battericellsproduktion i Tyskland och Europa."

Pilotanläggning startade framgångsrikt i Finland

Denna potential ses också av Fraunhofers nordiska partners:det finska batteriföretaget "BroadBit Batteries, "tillsammans med IWS, har tagit i drift en pilotanläggning i sin fabrik i Esbo, som belägger elektroder med torrt elektrodmaterial istället för våta pastor, som hittills varit vanligt inom industrin. BroadBit använder det för att producera nya typer av natriumjonbatterier. "Efterfrågan på vår teknik är hög, även i Tyskland, " rapporterar Benjamin Schumm.

I laboratorieskala, IWS kan redan belägga elektrodfolie med en anmärkningsvärd produktionshastighet på flera meter per minut. I detta avseende kan Dresdens ingenjörer visa potentialen för att överföra teknologin till produktionsskalan.

Gränser för klassisk våtkemi

Tills nu, cellproducenter har för det mesta belagt sina batterielektroder i en komplex våtkemisk process. Först, de blandar de aktiva materialen, avsedda att senare frigöra den lagrade energin, med tillsatser för att skapa en pasta. I denna process tillsätter de organiska lösningsmedel, som är dyra och vanligtvis giftiga. För att skydda operatörer och miljön, utarbetade försiktighetsåtgärder för arbetarskydd och upparbetning är nödvändiga.

När pastan har applicerats på tunna metallfolier, ytterligare ett dyrt processsteg börjar:Dussintals meter långa värmesektioner torkar de belagda filmerna innan de kan bearbetas vidare. Detta torkningsförfarande orsakar vanligtvis höga elkostnader.

Bindande molekyler bildar ett spindelnät

Den nya filmöverföringstekniken för torr elektrodbeläggning, å andra sidan, fungerar utan dessa ekologiskt skadliga och dyra processsteg:IWS-ingenjörerna blandar sitt aktiva material med bindande polymerer. De bearbetar denna torra blandning i ett valsverk som kallas "kalander".

Skjuvkrafterna i detta system river hela molekylkedjor ur bindemedelspolymererna. Dessa "fibriller" förenas med elektrodpartiklarna som i ett spindelnät. Detta ger elektrodmaterialet stabilitet. Resultatet är ett flexibelt lager av torrt elektrodmaterial. I nästa steg, kalandern laminerar den 100 mikrometer tjocka filmen direkt på en aluminiumfolie, på så sätt skapas batterielektroden.

På väg till det fasta eldsäkra batteriet

"På det här sättet, vi kan också bearbeta material för nya batterigenerationer där klassiska processer misslyckas, " säger Benjamin Schumm. Dessa inkluderar, till exempel, energilagringssystem som använder svavel som aktivt material eller solid state-batterier som använder jonledande fasta ämnen istället för brandfarliga flytande elektrolyter. "Dessa batterier kommer att kunna lagra mer energi i samma volym än dagens litiumjonbatterier, " säger IWS-forskaren med sikte på framtiden. "Men, dessa fasta elektrolyter kan förlora sina funktionella egenskaper i kontakt med lösningsmedel.

En lösningsmedelsfri beläggningsprocess är betydligt bättre kvalificerad för att producera dessa lagringsmedier." På vägen att bearbeta elektroder för alla solid state-batterier har forskarna nått en viktig milstolpe genom att tillämpa sin torrfilmsteknologi med extremt låg bindemedelshalt. De har nyligen publicerade sina resultat i ScienceDirect.

Process kan ersätta klassiska pastaprocesser

Dresdens ingenjörer siktar nu på att förbättra sin teknologi i samarbete med industriella partners för att nå dess genombrott. I det BMBF-finansierade "DryProTex"-projektet, till exempel, de vidareutvecklar dry transfer beläggningsprocessen tillsammans med företagen Saueressig, INDEV, Netzsch Trockenmahltechnik och Broad-Bit-batterier.

Partnerna förväntar sig en fundamental förändring i batteriproduktionen:"Tekniken erbjuder stor potential att ersätta konventionella processer för pastabaserad elektrodproduktion på lång sikt, " avslutar Benjamin Schumm. I DryProTex-projektmaterialet, process- och utrustningsutvecklingar bedrivs i syfte att realisera processdesign för torrkatodproduktion i industriell skala.