Die Nachfrage nach Batterien steigt mit dem Ausbau der Elektro-Mobilität weiter. Das KIT möchte im Projekt EPIC neue Wege gehen: Hochwertige Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien sollen schneller und energieeffizienter trocknen und damit kostengünstiger hergestellt werden können. Ein neues Trocknungs-Management in der Elektroden-Herstellung senkt die Kosten der Batterie-Produktion, verbessert die Umweltbilanz und stärkt den Standort Deutschland. Das BMBF fördert EPIC mit drei Millionen Euro.
In Batteriezellen auf der Basis von Lithium-Ionen sind die Elektroden-Schichten entscheidend: Die Aktiv-Materialien speichern die Energie.
Sowohl das Anoden- als auch das Kathoden-Material wird als Paste in einer dünnen Schicht auf je eine Stromableiter-Folie aus Kupfer und Aluminium aufgetragen. Das Problem: Die Herstellung der Elektroden verschlingt viel Zeit und Geld.
Deshalb hat ein Forscher-Team der Gruppe Thin Film Technology (TFT) am KIT ein neues Beschichtungs-Verfahren entwickelt, mit dem sich Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien im Labor so schnell wie nie zuvor produzieren lassen.
Den Flaschenhals bilden aktuell allerdings noch die nachfolgenden Prozessschritte, namentlich die Trocknung mit Strukturausbildung und die Nachtrocknung. Hier wird die Erhöhung der Durchsatz-Geschwindigkeit der gesamten Elektroden-Herstellung verhindert. Doch gerade dieser Bereich würde zu deutlichen Kosteneinsparungen in der Batteriezell-Produktion führen, heißt es von Seiten des TFT.
EPIC will Energiekosten bei Trocknung um 20 Prozent senken
Das Projekt EPIC hat das Ziel, die Kosten für die Batterieproduktion insgesamt zu reduzieren. Im Speziellen sollen die Energiekosten bei der Elektroden-Trocknung um mindestens 20 Prozent gesenkt werden.
EPIC steht für „Erhöhung der Durchsatzgeschwindigkeit in der Elektrodenproduktion durch ein innovatives Trocknungsmanagement“. Hier arbeiten Wissenschaftler daran, die Trocknungs-Geschwindigkeit um mindestens 50 Prozent zu erhöhen – bei gleichbleibender oder besserer Qualität und Langzeitstabilität.
„Wesentlich ist, die einzelnen Prozessschritte zusammenhängend zu betrachten und Interaktionen zu berücksichtigen“, betont Prof. Wilhelm Schabel, dessen TFT-Gruppe am KIT das Projekt koordiniert. Ebenfalls an EPIC beteiligt sind das wbk Institut für Produktionstechnik, das ZSW und die TU Braunschweig. Das BMBF fördert EPIC für drei Jahre mit insgesamt drei Millionen Euro. Projektstart war im August 2020.
EPIC forscht nach optimalem Feuchte-Management
Im Projekt EPIC geht es außerdem um ein optimal auf die Materialien abgestimmtes Feuchte-Management entlang der Prozesskette – von der Trocknung bis hin zur Zellassemblierung. „Höhere Beschichtungs-Geschwindigkeiten werden dann besonders attraktiv, wenn sich gleichzeitig die Trocknungszeit verkürzen lässt, damit die teure Trocknerstrecke nicht verlängert werden muss“, erläutert Dr. Philip Scharfer von der TFT.
Das wbk untersucht zum einen die Nachtrocknung direkt im Zellstapel vor der Elektrolyt-Befüllung. Zum anderen die benötigte Zellfeuchte ohne vorangegangene Nachtrocknung im Zellstapel direkt vor der Elektrolyt-Befüllung.
Zusammen mit der TU Braunschweig evaluiert das wbk, wie Trocknungs-Intensität und -dauer die Zelleigenschaften beeinflussen.
Das ZSW in Ulm wird auf seiner Forschungs-Produktionslinie, auf der sich Batteriezellen im industriellen Maßstab herstellen lassen, unter regulierter Produktions-Atmosphäre die Feuchte-Exposition in einem mit der Serienzell-Fertigung vergleichbaren Maßstab abbilden. (wag)
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