Onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS in Dresden hebben een nieuw productieproces ontwikkeld met als doel een efficiënte en milieuvriendelijke toekomstige batterijproductie. Ze coaten de elektroden van de energieopslagcellen met een droge film in plaats van vloeibare chemicaliën. Dit vereenvoudigde proces bespaart energie en elimineert giftige oplosmiddelen. Een Fins bedrijf test momenteel de nieuwe IWS-technologie met succes in de praktijk.

Er is steeds meer vraag naar betere en kostenefficiëntere productiemethoden voor energieopslag, vooral in Duitsland:alle grote autofabrikanten hebben ambitieuze programma's voor elektrische voertuigen gelanceerd die zullen zorgen voor een sterke stijging van de vraag naar batterijen. Tot dusver, Duitse bedrijven kopen de cellen hiervoor in Azië in. Er zijn twee belangrijke redenen voor deze trend:Aziatische technologiegroepen hebben vele jaren ervaring in de massaproductie van batterijcellen en bij deze processen wordt veel energie verbruikt. Productie op locaties met hoge elektriciteitsprijzen, zoals Duitsland, is, daarom, zeer hoge kosten.

Geen giftige oplosmiddelen meer - lagere elektriciteitskosten

Het is precies dit feit dat de Saksische Fraunhofer-ingenieurs willen veranderen:"Ons dry transfer coating-proces heeft tot doel de proceskosten bij het coaten van elektroden merkbaar te verlagen, " benadrukt IWS-projectmanager Dr. Benjamin Schumm. "Fabrikanten kunnen giftige en dure oplosmiddelen elimineren en energiekosten besparen tijdens het drogen. In aanvulling, onze technologie maakt ook het gebruik van elektrodematerialen mogelijk die natchemisch moeilijk of zelfs niet te verwerken zijn."

Maar deze materialen zijn nodig voor toekomstige batterijen met een hogere energiedichtheid. "Voor al deze redenen, we denken dat onze technologie kan helpen om een ​​internationaal concurrerende productie van batterijcellen in Duitsland en Europa te realiseren."

Proeffabriek succesvol gestart in Finland

Dit potentieel wordt ook gezien door Fraunhofer's Scandinavische partners:het Finse batterijbedrijf "BroadBit Batteries, "samen met IWS, heeft een proeffabriek in gebruik genomen in haar fabriek in Espoo, die elektroden bedekt met droog elektrodemateriaal in plaats van natte pasta's, zoals tot nu toe gebruikelijk was in de industrie. BroadBit gebruikt het om nieuwe soorten natriumionbatterijen te produceren. "De vraag naar onze technologie is groot, zelfs in Duitsland " meldt Benjamin Schumm.

Op laboratoriumschaal is de IWS kan al elektrodefolie coaten met een opmerkelijke productiesnelheid van enkele meters per minuut. In dit opzicht kunnen de ingenieurs van Dresden het potentieel aantonen om de technologie over te brengen naar de productieschaal.

Grenzen van de klassieke natte chemie

Tot nu, celproducenten hebben hun batterij-elektroden meestal gecoat in een complex nat-chemisch proces. Eerst, ze mengen de actieve stoffen, bedoeld om later de opgeslagen energie vrij te maken, met toevoegingen om een ​​pasta te maken. Daarbij voegen ze organische oplosmiddelen toe, die duur en meestal giftig zijn. Om de operators en het milieu te beschermen, uitgebreide voorzorgsmaatregelen voor arbeidsveiligheid en opwerking zijn noodzakelijk.

Nadat de pasta op dunne metaalfolies is aangebracht, een verdere dure processtap begint:tientallen meterslange verwarmingssecties drogen de gecoate films voordat ze verder kunnen worden verwerkt. Deze droogprocedure veroorzaakt meestal hoge elektriciteitskosten.

Bindende moleculen vormen een spinnenweb

De nieuwe filmoverdrachtstechnologie voor droge elektrodecoating, anderzijds, werkt zonder deze ecologisch schadelijke en dure processtappen:de IWS-ingenieurs mengen hun actieve materiaal met bindende polymeren. Ze verwerken dit droge mengsel in een walserij die bekend staat als "kalender".

De schuifkrachten in dit systeem scheuren hele moleculaire ketens uit de bindmiddelpolymeren. Deze "fibrillen" verbinden zich met de elektrodedeeltjes als in een spinnenweb. Dit geeft het elektrodemateriaal stabiliteit. Het resultaat is een flexibele laag van droog elektrodemateriaal. In de volgende stap, de kalander lamineert de 100 micrometer dikke film direct op een aluminiumfolie, waardoor de batterij-elektrode ontstaat.

Op weg naar de solid state vuurvaste batterij

"Op deze manier, we zijn ook in staat om materialen voor nieuwe batterijgeneraties te verwerken waar klassieke processen falen, ", zegt Benjamin Schumm. Deze omvatten, bijvoorbeeld, energieopslagsystemen die zwavel als actief materiaal gebruiken of vastestofbatterijen die ionengeleidende vaste stoffen gebruiken in plaats van ontvlambare vloeibare elektrolyten. "Deze batterijen zullen in hetzelfde volume meer energie kunnen opslaan dan de huidige lithium-ionbatterijen, zegt de IWS-wetenschapper met het oog op de toekomst. deze vaste elektrolyten kunnen hun functionele eigenschappen verliezen bij contact met oplosmiddelen.

Een oplosmiddelvrij coatingproces is aanzienlijk beter gekwalificeerd om deze opslagmedia te produceren." Op weg naar de verwerking van elektroden voor alle solid-state batterijen hebben de onderzoekers een belangrijke mijlpaal bereikt door hun droge-filmtechnologie toe te passen met extreem lage bindmiddelgehalten. publiceerden hun resultaten in ScienceDirect.

Proces kan klassieke plakprocessen vervangen

De ingenieurs van Dresden streven er nu naar hun technologie te verbeteren in samenwerking met industriële partners om de doorbraak te bereiken. In het door BMBF gefinancierde "DryProTex"-project, bijvoorbeeld, samen met de bedrijven Saueressig ontwikkelen ze het dry transfer coating-proces verder, INDEV, Netzsch Trockenmahltechnik en Broad-Bit-batterijen.

De partners verwachten een fundamentele verandering in de batterijproductie:"De technologie biedt een groot potentieel om op de lange termijn conventionele processen voor op pasta gebaseerde elektrodeproductie te vervangen, " concludeert Benjamin Schumm. In het DryProTex-projectmateriaal, proces- en apparatuurontwikkelingen worden uitgevoerd met als doel het realiseren van procesontwerp voor droge kathodeproductie op industriële schaal.