Nass- und Trockenelektrodenherstellung sowie Dünnschichttechnologie

Die Performance elektrischer Energiespeicher wird ganz entscheidend von der Beschaffenheit der Elektroden beeinflusst. Nach heutigem Stand der Technik erfolgt deren Herstellung mittels Nass-Beschichtungsverfahren. Bei diesem Verfahren werden fließfähige Massen, bestehend aus Aktivmaterial, Leitfähigkeitsadditiven und dem Binder, dispergiert in einem Lösemittel, auf elektrisch leitende Trägermaterialien aufgebracht. Die Prozesskette – von den Ausgangsmaterialien bis zur einsatzfähigen Elektrode – umfasst die Verfahrensschritte Mischen und Dispergieren, den Nassauftrag selbst, die anschließende Trocknung und ggf. die Kalandrierung (Verdichtung). Jeder einzelne Schritt muss dabei an die eingesetzten Materialen angepasst und hinsichtlich der Zielvorgaben und Anforderungen an die Elektrode optimiert werden.  

Neue Materialien und Batterietechnologien erfordern häufig die Entwicklung neuer Herstellungsverfahren und Prozesse. Dazu forschen und entwickeln wir in den Bereichen:

  • Misch- und Beschichtungstechnik inkl. Skalierbarkeit
  • Wir bieten Rezeptentwicklung und Pastenformulierung für Beschichtungsverfahren mit Rakel und Schlitzdüse. Dabei ist die gesamte Prozessdurchführung sowohl im Sheet-to-sheet als auch im Rolle-zu-Rolle Prozess unter normaler Laboratmosphäre relative Feuchtigkeit (r.F.) 45% als auch unter Trockenraumbedingungen r.F. <2% möglich.
  • Die Herstellung von Elektroden für Festkörperbatterien mit einem sulfid-basierten Elektrolyten erfolgt bei uns unter inerter Atmosphäre
  • Zudem bieten wir energieeffiziente Trockenbeschichtungsprozesse in einem einstufigen Direktkalandrierverfahren sowie durch ein diskontinuierliches Heißpressverfahren
  • Das Technikum Vakuumbeschichtung bietet die Möglichkeit, Prozesse für Dünnschichbatterien und Korrosionsschutzschichten durchzuführen.

Nassbeschichtung

Nassbeschichtung der Elektroden mit Rakel auf einem Filmziehgerät.
© Fraunhofer ISE
Nassbeschichtung der Elektroden mit Rakel auf einem Filmziehgerät.
Kalanderanlage des Fraunhofer ISE.
© Fraunhofer ISE
Kalanderanlage des Fraunhofer ISE.
Vakuumtrocknungsofen mit programmierbarem Trocknungsrezept.
© Fraunhofer ISE
Vakuumtrocknungsofen mit programmierbarem Trocknungsrezept.

Am Fraunhofer ISE widmen wir uns der Nassbeschichtung von Kathoden und Anoden insbesondere für Lithium-Ionen-Batterien. Dabei verwenden wir neben wässrigen Lösemitteln auch N-Methyl-2-Pyrrolidon. Die vollständige Verarbeitung, vom Pulverhandling bis zur kalandrierten Elektrode, kann unter Trockenraumbedingungen (<2% r.F.) durchgeführt werden. Ebenso verarbeiten wir Materialien für Natrium-Ionen Batterien.

 

Unsere FuE-Angebote im Bereich »Nassbeschichtung« umfassen:

  • Binder-Premix-Herstellung, Löslichkeitsbestimmung
  • Pasten-Formulierungen (Aktivmaterial, Binder, Leitadditiv, Lösemittel) bis 5 Liter
  • Elektrodenherstellung im Sheet-to-Sheet Verfahren auf einem Filmziehgerät mit Rakel
  • Elektrodentrocknung (Elektrodensheet & Coils bis Ø300mm)
    • ATEX-Temperaturschränke bis 150°C
    • Vakuumtrocknung
      • Feinvakuum bis 10-3mbar
      • Mantelheizung bis 150°C
  • Elektrodenherstellung im Roll-to-Roll Verfahren mit Rakel oder Schlitzdüse
  • Substratbreite (Rollenware): max. 300mm, 3“oder 6“ Kern
  • Maximale Beschichtungsbreite: 280 mm
  • Inline-Flächengewichtsmessung mit X-Ray
  • Schichtdickenmessung
  • Heavy-Edge Detektion
  • Inline-Konvektionstrocknung (optional: (Nah-) Infrarot, Laser, Induktion) 
  • Kalandrierung der Elektroden entweder im Sheet-to-Sheet oder Roll-to-Roll Verfahren
  • Substratbreite (Rollenware): max. 300mm, 3“oder 6“ Kern
  • Beschichtungsbreite: 100mm–295 mm
  • Beheizbare Kalanderwalzen bis 150°C
  • Linienlast bis 1,5 kN/mm

Trockenbeschichtung

Kalanderaufbau zur Versuchsdurchführung von Direktkalandrierungen.
© Matthews International GmbH
Kalanderaufbau zur Versuchsdurchführung von Direktkalandrierungen.

Im Bereich der Trockenelektrodenherstellung widmen wir uns der Direktverpressung von vorpräparierten Trockenmassen in einem Kalanderspalt sowie dem Hot-Press Verfahren. Dabei bieten wir die Prozessentwicklung von der (mehrstufigen) Trockenmischung bzw. Granulation bis zur Elektrodenherstellung für Lithium- und Natrium-Ionen Materialien an. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit der Trockenelektrodenherstellung bei uns im Trockenraum (<1 r.F., Taupunkt bis -55°C). Für die Zink-Ionen Technologie offerieren wir darüber hinaus die Entwicklung von Dickschichtelektroden.

Unsere FuE-Angebote im Bereich »Trockenbeschichtung« umfassen:

  • Vorversuche im Bereich
  • Trockenmischen
  • Nachstrukturierung/Vermahlung
  • Testung von Vormischungen für die Direktverpressung im Kalanderspalt
  • Elektrodenbreiten zwischen 100 bis 200mm

Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema

 

Geschäftsfeldthema

Technologiebewertung für Batterien

 

Geschäftsfeldthema

Produktionstechnologie für Batterien

 

Geschäftsfeldthema

Batteriematerialien und -zellen

 

Geschäftsfeld

Elektrische Energiespeicher

 

FuE-Infrastruktur

Zentrum für elektrische Energiespeicher