Beschichtung Akkuelektroden trocken beschichten

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Ein neues Beschichtungsverfahren des Fraunhofer IWS kann Elektroden trocken beschichten. Das ist kostengünstiger und kommt ohne toxische Lösungsmittel aus.

Ein Forscherteam des Fraunhofer IWS hat mit „Drytraec“ ein Verfahren entwickelt, das eine kosteneffiziente und umweltfreundliche Herstellung von Batterieelektroden ermöglichen soll. Drytraec steht für Dry transfer electrode coating und ist ein Verfahren, das vollständig auf den sonst üblichen Einsatz toxischer Lösemittel verzichtet und die energie- sowie kostenintensive Trocknung der Elektrodenschichten einspart.

Für diese Technik hat das Team um Benjamin Schumm, Holger Althues und Prof. Stefan Kaskel den Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2025 erhalten.

Elektroden sind ein zentraler Baustein jeder Batterie und bestehen in der Regel aus einer Metallfolie, die mit einer dünnen Beschichtung überzogen ist. Die Beschichtung enthält die aktiven Komponenten, die für die Energiespeicherung verantwortlich sind. „Üblicherweise erfolgt der Beschichtungsprozess nasschemisch mit sogenannten Slurry-Ansätzen“, erklärt Benjamin Schumm, Abteilungsleiter Partikeltechnik am Fraunhofer IWS. „Die Drytraec-Technologie erlaubt es, eine Elektrodenschicht direkt aus einem Trockengemisch – bestehend aus Aktivmaterial, Leitruß und Binder – herzustellen.“ Im Gegensatz zum konventionellen Slurry-Verfahren wird dabei kein Lösemittel eingesetzt.

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Doppelseitige Beschichtung in einem Schritt

Eine spezielle Kalander-Vorrichtung erzeugt Scherkräfte in einem Walzenspalt und verankert so Partikel des Aktivmaterials und des Leitrußes durch die verbundene Fibrillierung des Bindemittels mechanisch. Geträgert auf den Kalanderwalzen entsteht eine komplett trockene Elektrodenschicht – die energie- und platzaufwendige Trocknung entfällt. Zudem gelingt die doppelseitige Beschichtung in einem Schritt durch den direkten Transfer von beiden Seiten auf die Stromkollektorfolien. Die lösemittelfrei hergestellten Drytraec-Elektroden sollen herausragende Parameter bei Leistung und Stabilität zeigen – ohne Einbußen gegenüber Slurry-basierten Elektroden.

Der wissenschaftlich-methodische Ansatz des walzenbasierten Trocken-film-Transferprozesses minimiert Produktionsrisiken und erleichtert die Skalierung zu größeren Beschichtungsbreiten und höheren Prozessgeschwindigkeiten. Die weltweit erste Prototypanlage wurde im Jahr 2013 konstruiert und die Technik seitdem stetig weiterentwickelt. Die Anlage ermögliche eine kontinuierliche Prozessführung und Herstellung qualitativ hochwertiger Elektroden im Rolle-zu-Rolle-Verfahren. „Wir haben für Drytraec eine F&E-Plattform realisiert, die Industriekunden entlang der Wertschöpfungskette ein breites Angebot von der Erprobung bis zum Transfer in die kommerzielle Nutzung bietet. Mit der Lizensierung der Technik an ein führendes Unternehmen der europäischen Automobilindustrie ebnet dies den Weg zur weiteren Skalierung bis zur Massenproduktion“, erläutert Holger Althues, Abteilungsleiter Batteriewerkstoffe am Fraunhofer IWS.

Verfahren für künftige Batteriechemie geeignet

Das Drytraec-Verfahren sei auch für die wichtigen Batterietechniken der Zukunft geeignet, wie etwa die Natrium-Ionen- oder die Feststoffbatterie. Die „Drop-In-Fähigkeit“ zur Elektrodenherstellung wurde für diese Zellsysteme nachgewiesen. Prof. Stefan Kaskel, Technologiefeldleiter Batterietechnik am Fraunhofer IWS, erklärt: „Den Prozess haben wir zunächst für Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien umgesetzt und inzwischen für Lithium-Schwefel- und für Feststoffbatterien angepasst. Diese werden in Zukunft eine immer größere Rolle spielen, jedoch leidet die Leistungsfähigkeit der Materialien unter einer nass-chemischen Verarbeitung. Mit Drytraec bieten wir einen vielversprechenden Ansatz mit doppeltem Vorteil.“

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