Trockenbeschichtung – innovative Prozesstechnik für die Fertigung von Energiespeicherelektroden

Heutzutage werden Elektroden (Anoden und Kathoden) für Batterien und Superkondensatoren überwiegend nasschemisch prozessiert. Die jeweiligen Aktivmaterialien, Leitadditive und Bindemittel werden hierfür in einer flüssigen Phase (wasser- oder lösemittelbasiert) dispergiert und die so entstandene Paste anschließend auf den Stromsammler (Folie oder Schaumstruktur) aufgetragen. In einem weiteren Prozessschritt wird die Elektrode getrocknet. Die eingesetzten Trocknerstrecken sind lang und energieintensiv im Betrieb. Dazu kommt die notwendige Peripherie, die für eine Trennung der teils toxischen Lösemittel aus der Abluft unerlässlich ist um den geltenden Umweltregularien gerecht zu werden.

Dieses eröffnet die Möglichkeit für neue Prozesstechniken, die 

• auf Lösungsmittel verzichtet, wie u.a. NMP
• keine aufwendigen Trocknungs- und Rückgewinnungseinheiten benötigen

Am Fraunhofer IPA wurde daher zur Herstellung von Energiespeicherzellen ein elektrostatischer Trockenbeschichtungsprozess vom diskontinuierlichen Laborversuch bis zum Rolle-zu-Rolle-Prozess im Technikumsmaßstab entwickelt. Dieser Prozess ist von der Aufbereitung der Funktionsmaterialien bis zur fertigen Elektrode vollständig Lösungsmittelfrei. Die so prozessierten Elektroden zeigen darüber hinaus vergleichbare elektrochemische Eigenschaften mit konventionell hergestellten Elektroden (z.B. Zyklenstabilität).

In der Vorbereitung der Beschichtung wird eine trockene Pulvermischung aus dem jeweiligen Aktivmaterial, Leitadditiv und einem thermoplastischen Bindemittel hergestellt. Entscheidend ist hierbei, die homogene Verteilung der Komponenten, wodurch bereits Mischungen mit einem Bindemittelanteil von fünf und weniger Gewichtsprozent zu einer stabilen Elektrode verarbeitet werden konnten. In einem weiteren Prozessschritt wird diese Pulvermischung in einem hochspannungsinduzierten Schritt direkt auf den Stromsammler transferiert und anschließend über eine thermomechanische Behandlung dauerhaft fixiert. Die mechanisch stabilen Elektroden werden anschließend zu Testzellen verbaut und elektrochemisch charakterisiert.
Neben der energieeffizienteren Produktion scheint eine höhere Hochstromfestigkeit bei den trocken prozessierten Elektroden gegeben zu sein.

• Bei diesem Verfahren der trocken prozessierten Elektroden hat sich gezeigt, dass sowohl die Energieeffizienz signifikant gesteigert werden konnte als auch eine höhere Hochstromfestigkeit erreicht werden konnte.