BEST-KLX: Batterie-Elektroden-Herstellung mittels Wafer-Slicing-Verfahren auf Basis eines Trockenbeschichtungsverfahrens

Abstract

BEST hatte zum Ziel, ein neuartiges Herstellungsverfahren für Hochenergie-Dickschichtelektroden auf Basis eines Trockenbeschichtungsprozesses zu entwickeln und experimentell zu validieren. Ausgangspunkt war ein am Fraunhofer ISE etablierter Batch-Prozess zur Granulatverpressung mit Einschränkungen bei Reproduzierbarkeit und Durchsatz. Der neue Ansatz bestand darin, mechanisch stabile Elektrodenblöcke aus Granulat herzustellen und diese mit einem aus der Photovoltaik adaptierten Wafer-Slicing-Verfahren in Elektrodenscheiben zu zersägen. In Arbeitspaket (AP) 1 wurden Verfahren zur Blockherstellung untersucht. Neben Heißpressen wurde ein Widerstandsheizpressverfahren entwickelt und im Unterauftrag mit der acp systems AG umgesetzt. Beide Verfahren ermöglichten stabile Elektrodenstäbe, das Widerstandsheizverfahren zeigte jedoch die bessere Stabilität und ein günstigeres Prozessfenster. In AP2 wurde der Wafer-Slicing-Prozess mit Drahtsägen im Labormaßstab qualifiziert. Die Stäbe wurden zu Elektrodenscheiben mit Dicken von etwa 1–5 mm zugeschnitten. Es zeigte sich, dass Schnittqualität und Bruchrate stark von mechanischer Stabilität und Porosität der Blöcke abhängen, ein präziser, reproduzierbarer Zuschnitt mit begrenztem Materialverschnitt jedoch möglich ist. In AP3 wurden die Elektrodenscheiben mechanisch, optisch und elektrochemisch charakterisiert und in Lithium- und Zink-Ionen-Zellen getestet. Alle Elektroden waren elektrochemisch funktionsfähig, die erzielten Kapazitäten und Energiedichten lagen jedoch noch unter den Zielwerten, insbesondere aufgrund hoher Schichtdicken, Porositätsverteilung und Zellarchitektur. Insgesamt wurde das Konzept erfolgreich validiert und als vielversprechende, PFAS-freie und hochskalierbare Option für die kostengünstige Herstellung von Dickschichtelektroden mit hohem Verwertungspotenzial eingestuft.