Der Trockenbatterieprozess minimiert den Platzbedarf und den Energieverbrauch

Jul 24, 2023

Christian Kazarian | 10. Juli 2023

Einer der Hauptschritte im Batterieherstellungsprozess ist die Beschichtung der Metallfolie mit aktivem Material, um die Elektrode zu erzeugen. Im aktiven Material finden elektrochemische Reaktionen statt, die es der Elektrode ermöglichen, Energie zu speichern und dann wieder abzugeben, wenn sich die Zelle entlädt.

Trockenbatterieelektroden (DBE) sind ein neues Konzept und eine neue Technologie in der Batterieindustrie, die die Elektrodenherstellung als „Pulver-zu-Film“-Route revolutionieren. Der Prozess verkürzt den Zeit- und Energieaufwand und minimiert den Platzbedarf im Vergleich zur Nassprozessfertigung (Beschichten der Elektrodenfolie mit einer nassen, chemischen Aufschlämmung).

Der traditionelle Nassprozess ist ein komplizierterer Schritt der Batterieherstellung. Laut Rheonics, einem Unternehmen für Fluidsensorlösungen, besteht der erste Schritt bei der Montage in der Abscheidung einer Suspension, die das aktive Material, das leitende Material und das Polymerbindemittel in einem Lösungsmittel enthält, auf einem Kupferfilm oder einem Aluminiumfilm (Aufschlämmungsvorbereitung und -beschichtung). Anschließend erfolgt das Trocknen, Kalandrieren und Kalibrieren der Elektroden.

Um die gewünschte elektrochemische Leistung zu erzielen, muss der mehrstufige Herstellungsprozess von Batterieelektroden streng kontrolliert werden. Schlämme sind ein komplexes Suspensionssystem, das einen erheblichen Anteil fester Partikel unterschiedlicher Chemikalien, Größen und Formen in einem hochviskosen Medium enthält.

Eine gründliche Durchmischung der Gülle ist für die Homogenität unerlässlich. Die rheologischen Eigenschaften von Aufschlämmungen beeinflussen wichtige Eigenschaften: Aufschlämmungsstabilität, einfache Mischbarkeit und Beschichtungsleistung, die sich auf die fertigen Elektroden auswirken. Zusammensetzung und angewandte Verarbeitungsbedingungen können einen Einfluss auf die Rheologie der resultierenden Suspension haben.

Das DBE-Verfahren hat in den letzten Jahren als praktikable Lösung für das komplexe und zeitaufwändige traditionelle Nassverfahren für Aufsehen gesorgt.

Lithium-Ionen-Batterien werden für Elektronik, Spielzeug, kabellose Kopfhörer, handgehaltene Elektrowerkzeuge, kleine und große Geräte, Elektrofahrzeuge und elektrische Energiespeichersysteme verwendet.

Maxwell Technologies – heute Teil von Tesla – und andere Unternehmen, darunter LiCap Technologies mit Sitz in Kalifornien und AM Batteries mit Sitz in Massachusetts, bieten Trockenbeschichtungstechnologie an.

LiCap Technologies nennt seinen Prozess Activated Dry Electrode-Technologie. Im Dezember 2022 ging LiCap eine Partnerschaft mit Siemens und BW Papersystems (einem Geschäftsbereich von Barry-Wehmiller) zur Massenproduktion von Anlagen zur Herstellung von Trockenelektroden ein.

Die strategische Partnerschaft wird innovative Trockenelektroden-Produktionssysteme für die Batteriezellenindustrie herstellen und vermarkten.

AM Batteries beschreibt seinen Prozess wie folgt:

Dies sind nur einige Unternehmen, die sich intensiv mit DBE beschäftigt haben.

Erst in diesem Jahr haben sowohl Tesla als auch Volkswagen damit begonnen, das DBE-Verfahren einzusetzen.

Im März 2023,Teslahat das neue Trockenelektrodenbeschichtungsverfahren für die Batterieherstellung integriert, das es auf sein neues 4680-Zellendesign der nächsten Generation anwendet.

Tesla erhielt die Trockenprozesstechnologie durch die Übernahme des kalifornischen Startups Maxwell Technologies im Jahr 2019, die den traditionellen, komplizierten Schritt der Batterieherstellung ersetzt, bei dem die Elektrodenfolie mit einer nassen, chemischen Aufschlämmung beschichtet wird (das EV-Unternehmen verkaufte Maxwell Technologies jedoch 2021 an UCPower). hielt an seiner Prozessmethodik für Trockenbatterieelektroden fest.)

Bei der herkömmlichen Methode muss die beschichtete Folie vor der endgültigen Montage einen langwierigen Trocknungsprozess durchlaufen und die in der Aufschlämmung verwendeten giftigen Lösungsmittel müssen zurückgewonnen und entsorgt werden.

Tesla ist außerdem davon überzeugt, dass der Trockenbeschichtungsprozess das Potenzial hat, die Größe, die Kosten, den Energieverbrauch und die Produktionszykluszeit von Batterieproduktionsanlagen drastisch zu reduzieren und gleichzeitig die Energiedichte und Leistung der Batteriezellen zu steigern.

Panasonic, einer der Batteriepartner von Tesla, gab im Mai dieses Jahres bekannt, dass es die Massenproduktion der Tesla 4680-Batteriezelle verzögert, um „Maßnahmen zur Leistungsverbesserung“ einzuführen. Es gab keine Informationen darüber, welche Maßnahmen es gibt.

Tesla produziert die 4680-Zellen weiterhin in seiner Pilotanlage in Fremont, erwartet jedoch eine höhere Produktionsmenge in seiner Gigafactory Texas.

Einen Einblick in das, was das Unternehmen durchgemacht hat, finden Sie hier im Video zum Trockenbatterie-Elektrodenprozess von Tesla.

Volkswagen (VW) ist ein weiterer Automobilhersteller, der auf das DBE-Verfahren umsteigt. Im Juli 2022 gründete das Unternehmen PowerCo, eine Tochtergesellschaft, die für das weltweite Batteriegeschäft verantwortlich ist.

Die Zellfabrik in Salzgitter wird im Jahr 2025 die Produktion aufnehmen. Neben der Batteriezellproduktion werden dort Aktivitäten entlang der gesamten Batterie-Wertschöpfungskette bearbeitet. Die zweite Zellfabrik ist im spanischen Valencia geplant.

PowerCo SE plant die Einführung des neuen Herstellungsverfahrens in seinen Batteriezellproduktionswerken in Europa und Nordamerika.

„Technologien wie die Trockenbeschichtung zeigen die technologische Leistungsfähigkeit von PowerCo. Wir verfügen über das nötige Know-how und die richtigen Experten, um die Zellproduktion auf ein neues Level zu heben und unseren Kunden deutliche Kostenvorteile zu bieten. Unser Ziel ist es, eine industrielle Produktion nachhaltiger und erschwinglicher Batterien zu etablieren“, sagte Thomas Schmall, Konzernvorstand Technik der Volkswagen AG und Aufsichtsratsvorsitzender der PowerCo SE.

Um dieses Ziel zu erreichen, haben PowerCo und Koenig & Bauer eine gemeinsame Entwicklungsvereinbarung zur Entwicklung einer Rollenpresse für die Pulverbeschichtung von Elektroden im großindustriellen Maßstab unterzeichnet. Mit dem DBE-Verfahren entfallen der energieintensivste Teil der Zellherstellung und der Einsatz chemischer Lösungsmittel.

PowerCo testet und optimiert die Technologie bereits in einer Pilotlinie in einem seiner Labore in Norddeutschland. Als Druckspezialist wird Koenig & Bauer eine Maschine zur industriellen Pulverbeschichtung entwickeln.

Das Batterieunternehmen schätzt, dass die innovative Technologie das Potenzial hat, etwa 30 % der Energie sowie 15 % der benötigten Stellfläche einzusparen und damit jedes Jahr Hunderte Millionen Euro einzusparen.

„Was die Festkörperzelle für das Produkt ist, ist die Trockenbeschichtung für die Produktion – ein echter Game Changer. Bei erfolgreicher Skalierung verschaffen wir uns eine einzigartige Marktposition und klare Wettbewerbsvorteile“, sagte Frank Blome, Vorstandsvorsitzender der PowerCo SE.

Die Elektroden (Kathode und Anode) sind das „Herzstück“ der Batteriezelle und bestimmen die Energiedichte und die Batterieleistung. In der modernen industriellen Elektrodenfertigung werden die Batteriematerialien mit Additiven und flüssigen Lösungsmitteln zu einer Aufschlämmung vermischt. Anschließend werden sie auf Folien aus Kupfer oder Aluminium beschichtet, getrocknet und kalandriert.

Das Trockenbeschichtungsverfahren von PowerCo ermöglicht es, die pulverförmigen Grundmaterialien ähnlich einem Druckverfahren direkt auf die Folie zu kalandrieren (zu glätten und zu verdichten). Dadurch entfallen zwei von vier Prozessschritten bei der Elektrodenherstellung. Der Pulverlack lässt sich äußerst fein und gleichmäßig auf die Folie auftragen, die resultierende Schicht ist etwa so dünn wie ein Haar. Dies garantiert eine hervorragende räumliche Energiedichte und eine lange Lebensdauer und verbessert gleichzeitig die Schnellladefähigkeit der Batterie.

PowerCO von Volkswagen hat ein eigenes Trockenbatterie-Elektrodenverfahren entwickelt.

Durch die Reduzierung der Stellfläche können pro Baustein einer regulären Gigafactory mit einer Produktionskapazität von 20 GWh vier parallele Beschichtungs- und Trocknungslinien eingespart werden, was einer Fläche von 7 m² entspricht. Dadurch kann die Außenlänge der Anlage um ca. 100 m reduziert werden. Durch den Wegfall der Trocknungsöfen und Absauganlagen wird laut PowerCo Energie eingespart, die dem Jahresverbrauch von 40.000 Privathaushalten entspricht.

Auch der Einsatz chemischer Lösungsmittel, die mit hohem Energieaufwand in siloartigen Türmen außerhalb der Anlagen recycelt werden müssen, entfällt.

Laut einem von Spherical Insights & Consulting veröffentlichten Forschungsbericht wird die globale Marktgröße für Lithium-Ionen-Batterien von 65,9 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 auf 273,8 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030 wachsen, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 19,3 % im Prognosezeitraum.

Angesichts der Zeit-, Kosten-, Platz- und Energieeinsparungen, die die Trockenbatterie-Elektrodentechnologie bietet, ist es schwer, einen Nachteil zu erkennen.

Allerdings muss die trockene Beschichtungsmischung über die großen Flächen der Batterieelektroden hinweg gleichmäßig sein, um verwendbar zu sein. Wenn es über die Elektroden hinweg nicht konstant ist, wird der Prozess die Probleme und Komplikationen aufdecken, die bei der Massenproduktion auftreten. Dies hat zu Rückschlägen bei der Beschichtungsmischung und einer längeren Markteinführungszeit geführt.

Bei Tesla verursachte die Mischung unerwartete Dellen an den teuren Kalanderwalzen, und das Unternehmen ließ vier Revisionen an der Verarbeitungsmaschine durchführen, um Verbesserungen zu erzielen.

Angeblich investieren auch LG, Samsung, CATL, Ford und GM in die DBE-Technologie.

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