Batterieforschung in Deutschland: Welche Innovationen auch für Asien interessant sind

| Redakteur: Kristin Rinortner

Batterieherstellung: Ein neues Verfahren erhöht die Produktionskapazität von Li-Ion-Batterieelektroden deutlich.
Batterieherstellung: Ein neues Verfahren erhöht die Produktionskapazität von Li-Ion-Batterieelektroden deutlich. (Bild: Ralf Diehm, KIT)

Die Batterieforschung in Deutschland hinkt mittlerweile nicht mehr hinter Asien hinterher. Mit einem neuen Beschichtungsverfahren gelang Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie die wohl bislang schnellste Produktion von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien. Gleichzeitig verbessert das neue Verfahren die Qualität der Elektroden und reduziert die Produktionskosten.

Die Batterietechnik gehört zu den Schlüsseltechnologien in Deutschland. Um Abhängigkeiten insbesondere von asiatischen Herstellern zu vermeiden, wird die Batteriezellenfertigung und Batterieforschung in Deutschland durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) seit zehn Jahren gefördert (bisher 0,5 Mrd. Euro). Mittlerweile ist die deutsche Batterieforschung international wieder gut aufgestellt. Doch noch fehlt eine wettbewerbsfähige Batteriezellenproduktion für Großserien, wie sie beispielsweise für Elektrofahrzeuge notwendig ist.

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun einer Gruppe von Wissenschaftlern eigenen Angaben zufolge gelungen, die Elektrodenproduktion für Lithium-Ionen-Batterien schneller zu machen und die Qualität der Elektroden zu verbessern. Damit einher gehen geringere Produktionskosten.

Aufbau und Herstellung einer Lithium-Ion-Batterie

Eine Lithium-Ionen-Batterie besteht aus zwei Elektroden, einem flüssigen Elektrolyten und einem Separator. Die Elektroden stellen dabei die Struktur zur Verfügung (Speicher), in denen die Lithium-Ionen eingelagert werden können.

Beim Herstellen von Elektroden für Batterien wird das Aktivmaterial als dünne Paste (50 bis 150 µm) in Form eines Rechtecks auf eine Folie aus Kupfer oder Aluminium ähnlich wie beim Drucken mit einer Düse homogen (Varianz +/-1%) aufgetragen. In Laufrichtung der Folie muss der Auftrag in gewissen Abständen für die Kontaktierung unterbrochen werden. Es werden unbeschichtete Streifen in einer Länge von 10 bis 40 mm erzeugt. Dazu wird der Beschichtungsprozess immer wieder angehalten und anschließend neu gestartet.

Eine besondere Herausforderung besteht dabei darin, scharfe Kanten ohne ein Verschmieren des Materials bei gleichzeitig sehr hohen Produktionsgeschwindigkeiten zu ermöglichen. „Präzision bei der Elektrodenbeschichtung ist ein ganz wesentlicher Faktor für die Effizienz und die Kosten der gesamten Batteriezellenproduktion“, sagt Professor Wilhelm Schabel vom Institut für Thermische Verfahrenstechnik - Thin Film Technology (TVT-TFT), der am KIT für die Forschung zu diesem Thema verantwortlich ist.

„Selbst kleine Produktionsfehler machen Batteriezellen unbrauchbar. Aufgrund des hohen Ausschusses und des geringen Durchsatzes sind Lithium-Ionen-Batterien heute teurer, als es eigentlich notwendig wäre.“ Gerade dieser Bereich ermögliche die höchsten Kosteneinsparungen in der Zellfertigung, betont Schabel.

Li-Ion-Batterien: Schnellere Beschichtung mittels Membrandüse

Eine entscheidende Weiterentwicklung gelang nun dem Doktoranden Ralf Diehm aus Schabels Gruppe. Er hat die Düse für den Auftrag des Elektrodenmaterials modifiziert. Dabei verwendet er statt des gängigen Ventils, das die Beschichtung stoppt und startet, eine Membran. Die dünne Membranfolie wird laut Diehm elektrisch und durch Krafteinwirkung nach oben und unten bewegt. So lässt sich die Beschichtung zyklisch stoppen und wieder starten. Weitere Details will er aus Wettbewerbsgründen nicht nennen.

„Da diese Membran im Vergleich zu mechanischen Ventilen viel leichter ist, sind sehr schnelle Reaktionszeiten und somit hohe Geschwindigkeiten möglich“, erklärt Diehm. „Bislang waren Hersteller auf Geschwindigkeiten von etwa 30 bis 40 m pro Minute begrenzt. Mit der neuen Technologie erreichen wir bis zu 150 m pro Minute bei der Elektrodenbeschichtung.“

Neben der drei bis vierfach höheren Produktionsgeschwindigkeit birgt ein Wegfall mechanischer Teile in der Auftragsdüse noch weitere Vorteile für die Elektrodenherstellung: Weil sich die Membran viel präziser steuern lasse als mechanische Ventile, verbessere sich die Fertigungsqualität und der Ausschuss verringere sich, so Diehm.

Die Technologie soll nun im Rahmen eines Spin-offs von Diehm und seinem Team vom Labor in die industrielle Produktion überführt werden. Der Doktorrand rechnet mit der Marktreife in 1 bis 2 Jahren. Derzeit ist er gemeinsam mit einem Partner mit verschiedenen Herstellern vorrangig in Asien in Kontakt. „Denn Deutschland ist in der Batterietechnik nicht so weit hinter Asien zurück, wie alle annehmen. Und mit dem schnelleren Druckverfahren sind wir Asien sogar einen Schritt voraus.“ Er ist sich sicher, dass aus Deutschland noch weitere Innovationen kommen werden, die für die asiatischen Hersteller interessant sein dürften.

Li-Ion-Batterien: Schnellere Trocknung durch systematische Prozessoptimierung

Damit die gesamte Batterieherstellung von einer schnelleren Elektrodenbeschichtung profitiere, müsse der Produktionsprozess allerdings an anderer Stelle nachjustiert werden, erklärt Dr. Philip Scharfer, Leiter der Gruppe Thin Film Technology (TFT) am KIT, der gemeinsam mit Professor Schabel seit vielen Jahren zu diesem Thema forscht. „Eine schnellere Beschichtung erfordert kürzere Trocknungszeiten. Andernfalls müssten Trocknerstrecke und damit die gesamte Anlage entsprechend vergrößert werden.“

Auf Basis von Grundlagen-Untersuchungen unterschiedlicher Trocknungsbedingungen (beispielsweise Temperatur, Energie, Prozessschritte) erreichten die Wissenschaftler am KIT bereits eine wissensbasierte Optimierung des Trocknungsprozesses, der die Trocknungszeit bei gleichbleibenden Elektrodeneigenschaften um etwa 40% reduziert. Trotzdem stehen sich hier noch Zeiten im Minutenbereich für die Trocknung und Zeiten Millisekundenbereich für die Beschichtung gegenüber.

Im vom BMBF geförderten Forschungscluster ProZell II sollen diese Arbeiten nun gemeinsam mit Partnern von der Technischen Universität Braunschweig und dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) Ulm weitergeführt werden.

Derzeit werden vier Batteriezentren durch das BMBF gefördert. Zwei Zentren sind auf Batterietechnik, d.h. Elektrochemie, Materialien für Elektroden, Separatoren etc., ausgerichtet (Münster/Jülich/Aachen und Ulm/Stuttgart) und zwei fokussieren auf Prozesstechnik für Materialkomponenten für Zellen bis zur Zellfertigung (München und Dresden). Darüber hinaus gibt es zahlreiche weitere Forschungseinrichtungen und kleinere Unternehmen, die zur Batterietechnik forschen.

Batterieforschung in Deutschland: Treiber und zukünftige Systeme

Eine Elektrodenfertigung in Rekordgeschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Fertigungsqualität ermöglicht erhebliche Kosteneinsparung für die Zellherstellung. Auf einer typischen Fertigungslinie können Elektroden für bis zu dreimal so viele Batteriezellen hergestellt werden und so dazu beitragen, den wachsenden Bedarf für die Elektromobilität zu decken.

Die TFT entwickelt ihre Technologien zur Elektrodenherstellung – auch für zukünftige neue Materialsysteme – als Teil des Center for Electrochemical Energy Storage Ulm und Karlsruhe (CELEST), einer der weltweit größten Forschungsplattformen im Bereich der Batterieforschung. Neue Erkenntnisse zur Produktionstechnologie fließen zudem direkt in das Exzellenzcluster Post Lithium Storage (POLiS), in dem das KIT gemeinsam mit der Universität Ulm die Batterien der Zukunft entwickelt.

Als vielversprechende Weiterentwicklungen von Lithium-Ionen-Batterien gelten Festkörper-Batterien. Sie bieten insbesondere die für die Elektromobilität notwendige höhere Energiedichte, eine bessere Schnellladefähigkeit sowie eine bessere intrinsische Sicherheit. Systeme wie Lithium-Schwefel, Lithium-Luft, Metall-Luft/Sauerstoff zeigen großes Potenzial für zukünftige Batterien. Allerding ist hier noch erheblicher Forschungsbedarf notwendig.

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