Elektrodenfertigung mit Pulverbeschichtung

Beschichtung bestimmt Eigenschaften

Doch unabhängig vom Anwendungsfall steckt das Geheimnis in der jeweiligen Elektrodenbeschichtung. Die eingesetzten Materialien und Schichtaufbauten entscheiden über die Speichereigenschaften der fertigen Zellen. Die konventionelle Elektrodenherstellung bedient sich dispersions- und suspensionsbasierter Beschichtungsverfahren. Hierfür werden Funktionsmaterialien wie das Aktiv­material (Speichermedium), Leitadditive und Bindemittel mit einem organischen oder wässrigen Lösemittel in mehrstufigen Prozessen zu homogenen Pasten verarbeitet. Diese Mischungen werden anschließend auf das Substrat, den sogenannten Stromkollektor, aufgetragen. Eine schonende, gleichmäßige Trocknung ist notwendig, um das Gefüge der Beschichtung durch verdunstungsgetriebene Strömungen nicht zu verändern.

Knackpunkt Trocknung

Weit verbreitet sind hierbei Umlufttrockner, die häufig weit über 10 m lang sind. Aus der Abluft dieser Trockner ist im industriellen Einsatz die Rekondensation flüchtiger Komponenten der teils krebserzeugenden Substanzen zwingend notwendig. Die Verfahren befinden sich seit vielen Jahren im Einsatz und beruhen auf langjähriger Prozessoptimierung. Die prozessseitigen Einsparpotenziale sind daher weitestgehend ausgereizt. Eine weitere Reduktion der Kosten pro Zelle scheint daher nur durch neue, kompaktere Produktionsprozesse möglich zu sein. Zukunftsweisende Verfahren versuchen u.a. den Lösemittelgehalt des Beschichtungsmaterials zu reduzieren und somit Anlagenkapazitäten einzusparen. In der Erprobung stehen neben Extrusionsverfahren, die einen sehr geringen Lösemittelanteil haben, vollständig flüssigkeitsfreie Pulverbeschichtungsverfahren. Diese werden unter anderem am Fraunhofer IPA entwickelt und erprobt. Mehrere Forschungsprojekten zeigten in Labor und Technikum erfolgreich, dass in Anlehnung an die elektrostatische Pulverbeschichtung Energiespeicherelektroden für unterschiedliche Einsatzbereiche herstellbar sind.

Vom Pulver zur Elektrode

Der Schwerpunkt der Entwicklungen liegt auf kohlenstoffbasierten Elektroden für Superkondensatoren sowie Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien. Als Substrat fungieren 10 µm bis 20 µm dicke metallische Folien die je nach Einsatzfall aus Kupfer, Aluminium oder Nickel bestehen. Für den Elektrodenaufbau werden ausschließlich pulverförmige Aktivmaterialien (Speichermedium), Leitadditive und Bindemittel zu einer stabilen Funktionsmaterialmischung verarbeitet. Diese wird anschließend elektrostatisch auf das Substrat appliziert.

Bild 2: Das Fraunhofer IPA setzt die kontinuierliche Trockenbeschichtung von Superkondensatorelektroden im Technikum um.

Bild 3: Die Erfassung der Beschichtungsqualität bei Energiespeicherelektroden erfolgt inline.

Je nach Zellformat ist bereits bei der Beschichtung ein pulverfreier Randbereich zu berücksichtigen (Foto 1). Eine weitere Herausforderung besteht in einer zeitnahen Weiterverarbeitung, da die ladungsinduzierte Partikelhaftung nur wenige Minuten und nicht wie bei der Pulverlackierung über Tage hinweg anhält. Die der Beschichtung nachfolgenden Prozessschritte sind in der in der Übersicht zusammengefasst dargestellt. Die Umsetzung des Prozesses im Technikum erfolgt auf eigens dafür entwickelten, kompakten Labordemonstratoren. Diese Rolle-zu-Rolle-Anlagen vereinen die für das Verfahren notwendigen Einzelprozessschritte und ermöglichen so die Erforschung des komplexen Zusammenspiels über die gesamte Prozesskette. Im Rahmen eines laufenden Forschungsprojektes werden u.a. relevante Prozess- und Qualitätsmerkmale vom Rohmaterial (Funktionsmaterialmischung und Stromkollektor) bis zur funktionsfähigen Elektrode erfasst (Foto 2, Foto 3). Das Ziel ist es, den Trockenbeschichtungsprozess für Energiespeicherelektroden zu stabilisieren sowie auf veränderte Produktanforderungen flexibel reagieren zu können. Die Erkenntnisse ermöglichen ein tieferes Verständnis des Gesamtprozesses und eine effiziente Versuchsplanung und -durchführung. Die Forschung am Trockenbeschichtungsprozess für Li­thium-Ionen-Batterieelektroden wird durch Mittel des Bundesministeriums für Bildung und Forschung ermöglicht; die Forschung an Superkonden­satoren wird gefördert durch das Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg.

Zum Netzwerken:
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart, Dr. Michael Hilt, Tel. +49 711 970-3820, michael.hilt@ipa.fraunhofer.de, Inga Landwehr, Tel. +49 711 970-1765, inga.landwehr@ipa.fraunhofer.de, www.ipa.fraunhofer.de/beschichtung