Zahlreiche Marktanalysen haben gezeigt, dass in den nächsten fünf Jahren die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien für alle Bereiche, von persönlichen Elektrogeräten bis hin zu Energiespeichern im Netzmaßstab, voraussichtlich dramatisch steigen wird. Um diese Nachfrage zu befriedigen, muss die Batterieherstellung schneller, kostengünstiger, zuverlässiger, weniger energieintensiv und weniger verschwenderisch werden. Ein wichtiger Teil der Lithium-Ionen-Batterieherstellung, bei dem es noch erheblichen Verbesserungsbedarf gibt, ist die Verarbeitung und Herstellung von Elektroden.
Um Fortschritte in diesem Bereich zu ermöglichen, haben Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) eine umfassende Auswertung der wissenschaftlichen Literatur zu fortschrittlichen Elektrodenverarbeitungstechnologien durchgeführt. Das Argonne-Team arbeitete dabei mit Forschern des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des DOE und der Case Western Reserve University (CWRU) zusammen.
Vor- und Nachteile im Überblick
Der Überblick beschreibt die jüngsten Entwicklungen, Vor- und Nachteile von vier Technologiekategorien. Außerdem befasst er sich eingehend mit deren Konstruktion, Betrieb und Instrumentierung. Abschließend gibt er einen Ausblick auf zukünftige Technologietrends. Dabei wird keine bestimmte Technologie bevorzugt, der Überblick informiert die Batterieindustrie und die Forschungsgemeinschaft über wichtige technische Hindernisse, die überwunden werden müssen, um die Kommerzialisierung voranzutreiben.
„Diese fortschrittlichen Technologien sind vielversprechend, um die Herstellungskosten zu senken, was dazu beitragen kann, die Preise für Netzspeicher und Batterien für Mobilitätsanwendungen zu senken“, sagte Runming Tao, Postdoktorand am Argonne National Laboratory und Hauptautor der Übersicht. „Unsere Studie bietet einen vollständigen, objektiven Überblick über den aktuellen Stand der Technik bei der Verarbeitung von Batterieelektroden.“
Tao und seine Co-Autoren Zhijia Du (ehemaliger Wissenschaftler am ORNL und jetzt Direktor für Batterieentwicklung bei Safire) und Jianlin Li (Programmmanager für Energiespeicherung und -umwandlung bei Argonne) sind führende Experten auf diesem Gebiet. In den letzten zehn Jahren haben sie zahlreiche Fachartikel über die elektrochemischen und materialwissenschaftlichen Aspekte der Elektrodenverarbeitung veröffentlicht.
Die Grenzen der herkömmlichen Elektrodenverarbeitung
Bei der herkömmlichen Nasselektrodenverarbeitung werden ein leitfähiges Material, ein elektrochemisch aktives Material und ein Bindemittel in einem Lösungsmittel gemischt, um eine Aufschlämmung zu bilden. Die Aufschlämmung wird dann auf ein Metallfoliensubstrat gegossen und in einem Ofen thermisch getrocknet. Durch den Trocknungsprozess wird das Lösungsmittel entfernt und eine feste Elektrode gebildet. Schließlich wird die Elektrode in einer Kalanderanlage mit Walzen in ihre endgültige Form gepresst. Zuletzt wird die Elektrode in eine Batterie eingebaut.
Ein großer Nachteil der Nassverarbeitung ist die Verwendung eines giftigen organischen Lösungsmittels namens N-Methylpyrrolidon (NMP). Der Trocknungsprozess, bei dem das Lösungsmittel entfernt wird, ist sehr energieintensiv und verursacht erhebliche Kosten. Um die Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren, muss das Lösungsmittel zurückgewonnen werden, was zusätzliche Ausrüstung und Betriebskosten erfordert. Durch den Verzicht auf NMP können die Energie- und Materialkosten sowie der Platzbedarf der Fertigungsanlagen erheblich reduziert werden.
Vier Kategorien fortschrittlicher Verarbeitungstechnologien
Fortschrittliche Technologien bieten gegenüber herkömmlichen Verfahren verschiedene Vorteile:
Die fortschrittliche Nassverarbeitung verwendet ähnliche Geräte wie die herkömmliche Nassverarbeitung. Durch die Verwendung von Wasser anstelle von NMP als Lösungsmittel können mit diesem Verfahren die Energiekosten um 25 Prozent gesenkt werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass damit gleichmäßige Elektroden mit guter Leistung hergestellt werden können. Allerdings ist nach wie vor eine energieintensive Trocknung im Ofen erforderlich. Außerdem müssen bestimmte Batteriematerialien möglicherweise geändert werden, um ihre Kompatibilität mit Wasser zu verbessern.
Bei der Strahlungshärtung werden Slurries aus kleinen Vorläufermolekülen mit ultraviolettem Licht oder Elektronenstrahlen bestrahlt. Durch die Strahlung verbinden sich die Moleküle zu Polymeren (große Moleküle mit sich wiederholenden chemischen Einheiten).
Dieser Ansatz kann den Einsatz von Lösungsmitteln und Öfen erheblich reduzieren und möglicherweise sogar ganz überflüssig machen. Dadurch ist er viel schneller als herkömmliche Nassverfahren, kann die Energiekosten um bis zu 65 Prozent senken und benötigt 85 Prozent weniger Produktionsfläche. Es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um die Stabilität der Polymere und ihre Kompatibilität mit anderen Batteriekomponenten zu bewerten.
Mit dem UV-Verfahren können nur dünne Elektroden hergestellt werden. Dickere Elektroden würden eine individuelle Aushärtung mehrerer Schichten erfordern. Dies könnte sich negativ auf die Batterieleistung auswirken. Das Elektronenstrahlverfahren würde teurere Geräte und die Entwicklung neuer Arbeitsschutzverfahren erfordern.
Bei der Trockenverarbeitung wird ein gemischtes Pulver durch Walzen geleitet, um einen festen Elektrodenfilm zu bilden. Da kein Lösungsmittel und kein energieintensives Trocknen erforderlich sind, können mit diesem Verfahren die Herstellungskosten um 11 Prozent und der Energieverbrauch um 46 Prozent gegenüber der herkömmlichen Nassverarbeitung gesenkt werden. Eine wichtige technische Herausforderung ist die begrenzte Stabilität des Bindemittels in Kohlenstoff-basierten Negativelektroden und die geringe elektronische Leitfähigkeit.
„Diese Herausforderungen könnten durch die Erforschung von Materialien mit unterschiedlichen Partikelgrößen, Formen und Strukturen angegangen werden“, so Tao. „Ein weiterer wichtiger Forschungsbedarf besteht in der Modifizierung der Anlagen, um die Mischung der Trockenpulver vor dem Pressen zu verbessern.“
Beim 3D-Druck werden Techniken wie Direct Ink Writing und Material Jetting zur Herstellung von Elektroden eingesetzt. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes besteht in der Möglichkeit, maßgeschneiderte, präzise Elektrodenformen und -designs mit minimalem Ausschuss herzustellen. Dies macht ihn potenziell zu einer guten Option für hochwertige Batterien, die für Nischenanwendungen eingesetzt werden. Die Nachteile des 3D-Drucks sind die langsame Fertigungsgeschwindigkeit und die teuren Druckgeräte.
Präferenzen spielen eine Rolle
Alle diese Technologien sind vielversprechend für die Kommerzialisierung, doch: „Verschiedene Unternehmen haben möglicherweise unterschiedliche Präferenzen hinsichtlich dieser fortschrittlichen Verarbeitungstechnologien, je nachdem, auf welche speziellen Batterieanwendungen sie sich konzentrieren“, sagte Li.
Laut Li weist die Trockenverarbeitung die geringsten technischen Hindernisse auf und scheint einer großtechnischen Kommerzialisierung am nächsten zu sein. Tatsächlich untersuchen mehrere führende Unternehmen seit mehreren Jahren den Einsatz der Trockenverarbeitung für Batteriezellen.
