Schlussbericht zum Projekt: Ökologisch und ökonomisch nachhaltige Materialien für die Kathoden- und Anodenbeschichtung in der Lithium-Ionen-Batterie (ÖkoMatBatt); Teilprojekt: 03XP0401E im Rahmen der BMBF-Förderrichtlinie „Batterie 2020 Transfer“: Nachhaltiges Bindemittel für die Kathode der Lithium-Ionen-Batterie

Abstract

Der Aufbau einer Kathode für eine Li-Batterie besteht aus einer Aluminiumfolie und einer Schicht aus Aktivmaterial, welches in ein Bindemittel eingebunden ist. Aufgabe des Bindemittels ist die Haftvermittlung des Aktivmaterials zur Aluminiumfolie, Fixierung der Aktivmaterialien in einer Matrix, Ausrichtung der Packung, Gewährleistung der Homogenität der Schicht und letztlich durch die homogene Verteilung des Leitrußes auch die Sicherstellung der Leitfähigkeit der Schicht. Obendrein muss das Material gegenüber dem Elektrolyten in der Batterie beständig sein. Aufgabe war die Herstellung einer alternativen Kathode, die den Eigenschaften einer konventionellen Elektrode (PVDF / NMP) in Hinsicht der mechanisch-, chemisch- und physikalischen- Parameter ebenbürtig ist. In umfangreichen Versuchsreihen wurden die alternativen Bindemittel in Hinsicht auf Haftung, Biegefestigkeit und der Applikation auf die Kathodenfolie optimiert. Das Lösungsmittel NMP konnte dabei vollständig ersetzt werden. Die Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Elektrolyten sowie die mechanischen Anforderungen an eine gewickelte Kathode wurden erreicht. Verfahren zur Slurry-Herstellung und Beschichtung der Aluminiumfolien mit alternativem Binder wurden erarbeitet und es konnten homogene Kathoden erzeugt werden. Das derzeitige Bindemittel PVDF stellt insofern eine Besonderheit dar, als dass es eine Glasübergangstemperatur von ca.-40°C hat und daher bei den üblichen Gebrauchstemperaturen im elastischen Bereich liegt. Alternative Bindemittel haben meist höhere Glasübergangstemperaturen. Ein unmodifiziertes ELO / ADA System hat typischerweise Glasübergangstemperaturen von ca. + 30°C. Diese TG ist für die enge Wicklung der Kathode zu hoch und führt zu Brüchen und Abplatzungen bei der Biegung und Stanzung der Kathoden-Folien. Im Verlaufe des Projektes wurden daher sowohl ELO als auch die Admerginsäure ADA entsprechend modifiziert, um eine einwandfreie Kathode herstellen zu können. Die saure Homopolymerisation von ELO erlaubt die Senkung der TG und ermöglicht die Erstellung flexibler Kathodenfolien. Zielführend war die Kombination aus ELO 46K4 mit ADA und K545 als Katalysator. Diese Kathoden ließen sich wickeln und stanzen, waren homogen und beständig, ließen sich aber aufgrund zu hoher elektrischer Widerstandswerte über die Beschichtung nicht zyklisieren. Alle Versuche die ausreichende Leitfähigkeit herzustellen sind bis zur Verfassung dieses Berichtes gescheitert. Die Grund-Ursachen der zu hohen Widerstände der Kathodenbeschichtung konnten im Rahmen dieses Projektes nicht mehr ermittelt werden. Im Vorgängerprojekt LeiKonBin wurde ein leitfähig beschichtetes Aktivmaterial verwendet, welches für ÖkoMatBatt nicht zur Verfügung stand. Dieses Material hatte die Widerstände deutlich verringert. Jedoch ist die Oberflächenfunktionalisierung nicht Inhalt des Projektes ÖkoMatBatt gewesen. Die leitfähige Beschichtung des Aktivmaterials NMC 622 im Projekt LeiKonBin bestand aus Polyanilin (PANI) und Poly-(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS). Es konnte dort gezeigt werden, dass eine einfache Substitution des Leitrußes durch die leitfähigen Polymere nicht möglich war, sondern nur die externe Oberflächenbeschichtung von NMC 622 im nasschemischen Verfahren zur gewünschten Performancesteigerung innerhalb des alternativen Binder-Systems geführt hat. Diese Beschichtung des Aktivmaterials, welche zur ausreichenden Leitfähigkeit führte, könnte somit ein Hinweis auf die Ursache der zu hohen Widerstände sein. Eine weitgehende Umhüllung des Aktivmaterials mit nichtleitendem Binder wäre eine einfache Erklärung. Diese isolierende Binderschicht müsste durch Leitruß oder andere Maßnahmen durchbrochen werden. Inwieweit durch Veränderung der Polarität der Bindemittelmatrix die Benetzungseigenschaften zum Aktivmaterial gelenkt werden könnten bleibt spekulativ. Ziel wäre die Erhöhung der Leitfähigkeit auch ohne vorherige Beschichtung des Aktivmaterials. In einem Folgeprojekt sollten diese Oberflächeneffekte näher untersucht werden. Datei-Upload durch TIB