Blog über Trockene Elektrodentechnologie steigert die Effizienz von Lithium-Ionen-Batterien und senkt die Kosten

Die globale Energielandschaft durchläuft eine tiefgreifende Transformation und beschleunigt sich hin zu einer strombetriebenen Wirtschaft, die durch erneuerbare Energien angetrieben wird. Im Mittelpunkt dieses Übergangs steht die Lithium-Ionen-Batterie (LIB)-Technologie, die nicht nur den Aufstieg von Elektrofahrzeugen (EVs) befeuert, sondern auch wirtschaftlich tragfähige Lösungen für die Energiespeicherung im großen Maßstab bietet. Um jedoch eine weitverbreitete Akzeptanz von Elektrofahrzeugen zu erreichen, muss die Batterieproduktion drastisch skaliert werden, während Umweltstandards eingehalten und Kosten gesenkt werden. Die Deckung der steigenden Nachfrage nach LIBs in Elektrofahrzeugen, stationären Speichern, Elektrowerkzeugen und tragbaren elektronischen Geräten stellt eine entscheidende Herausforderung dar: Wie kann die Produktionskapazität erweitert, die Kosten gesenkt und der CO2-Fußabdruck der Herstellung minimiert werden?

Betreten Sie die Trockenelektroden (DBE)-Technologie – ein innovativer Ansatz, der die LIB-Produktion revolutionieren soll, indem er diese Herausforderungen direkt angeht.

Die traditionelle LIB-Herstellung basiert auf einem schlammbasierten Verfahren, bei dem aktive Materialien, leitfähige Additive und Bindemittel mit Lösungsmitteln vermischt, auf Metallfolien aufgetragen und getrocknet werden, um Elektroden zu bilden. Diese Methode ist energieintensiv, zeitaufwändig und erfordert toxische Lösungsmittel wie N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), was Umwelt- und Gesundheitsrisiken birgt. Die Rückgewinnung und Entsorgung von NMP erhöhen die Produktionskosten zusätzlich.

Im Gegensatz dazu eliminiert die Trockenelektroden-Technologie Lösungsmittel vollständig. Stattdessen wird eine trockene Pulvermischung direkt auf Metallfolien gepresst oder aufgetragen, wodurch die Produktion vereinfacht, der Energieverbrauch gesenkt und die Umweltbelastung minimiert wird.

Die aktuelle Forschung zur Trockenelektroden-Technologie konzentriert sich hauptsächlich auf Kathodenmaterialien, da NMP in der konventionellen Kathodenherstellung nach wie vor unverzichtbar ist, während Anodenmaterialien bereits mit wasserbasierten Verfahren hergestellt werden können. Dieser Artikel folgt diesem Trend und untersucht detailliert die Struktur-Leistungs-Beziehung von trocken verarbeiteten Kathoden.

Studien haben gezeigt, dass PTFE-basierte Trockenbeschichtungsverfahren erfolgreich Elektroden mit verschiedenen Kathodenaktivmaterialien (CAMs) herstellen können, darunter NMC, NCA, NCMA, LFP, LMO, LMNO und LCO. Trocken verarbeitete Elektroden weisen eine vergleichbare Rate und Zyklusleistung auf wie Elektroden, die mit Nassverfahren hergestellt wurden, was die Machbarkeit und das Potenzial der DBE-Technologie unterstreicht.

Die Elektrodenleistung hängt nicht nur von der chemischen Zusammensetzung der aktiven Materialien ab, sondern auch von Parametern wie Partikelgrößenverteilung, Formulierung und Additiven. Im Folgenden werden drei kritische Faktoren anhand von Fallstudien untersucht:

Matthews et al. analysierten die Mikrostruktur und elektrochemische Leistung von PTFE-basierten NMC622-Elektroden und konzentrierten sich dabei auf die qualitative Beschreibung des Fibrillationsprozesses. Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigte die Verankerung von PTFE auf NMC-Oberflächen und die anschließende Entflechtung der Kristalleinheiten. Bei einem PTFE-Gehalt von 1 % bildete die Elektrode ein hierarchisches Netzwerk aus primären und sekundären Fibrillen mit Durchmessern im Bereich von Mikrometern bis Nanometern. Im Vergleich zu nassverarbeiteten Elektroden zeigten Trockenelektroden einen geringeren Ionen-Diffusionswiderstand, eine leicht verbesserte Kapazitätserhaltung (nach 200 Zyklen bei C/3) und eine überlegene Ratenleistung (0,1–2C). Diese Ergebnisse verdeutlichen, wie die Abstimmung der Wechselwirkungen zwischen PTFE und aktivem Material die Mikrostruktur und Leistung der Elektrode erheblich beeinflussen kann.

Tao et al. untersuchten, wie Mikrostrukturvariationen die elektrochemische Kinetik in NMC-Kathoden beeinflussen, indem sie die Porosität über Kompressionslasten (22 %, 32 % und 39 %) anpassten. Die Kompression verursachte jedoch auch einen Bruch der NMC-Partikel. Die Studie ergab, dass der Elektrodenflächenwiderstand bei mittlerer Porosität optimal war: Eine hohe Porosität erhöhte den Widerstand aufgrund des übermäßigen Hohlraumvolumens, während eine geringe Porosität den Widerstand durch schlechte elektronische Konnektivität zwischen gebrochenen Partikeln erhöhte. Der Ladungsübertragungswiderstand erreichte ebenfalls sein Minimum bei mittlerer Porosität, was auf ein Gleichgewicht zwischen ausreichendem Hohlraumvolumen für die Ladungsübertragung und einer kompakten Struktur für kürzere Lithium-Ionen-Diffusionswege hindeutet. Die Elektrode mit 32 % Porosität lieferte die höchste Ratenleistung, was auf einen optimalen Porositätsbereich hindeutet. Der Partikelbruch unter Kompression offenbarte jedoch Einschränkungen, insbesondere bei der Herstellung von hochwertigen, dünnen Beschichtungen mit geringer Porosität. Langzeitzyklustests sind erforderlich, um potenzielle negative Auswirkungen des Partikelbruchs unter hoher Kompression zu beurteilen.

Oh et al. trugen eine weitere Perspektive bei, indem sie untersuchten, wie sich inerte Materialien auf die Elektrodenleistung auswirken. Unter Verwendung eines Trockenverfahrens mit zwei PTFE-Typen mit ähnlicher mittlerer Partikelgröße und Packungsdichte beobachteten sie, dass Bindemittel mit höheren Extrusionsverhältnissen leichter fibrillierten, was zu einer geringeren Tortuosität und einer marginal besseren elektrochemischen Leistung führte. Bei einem PTFE-Gehalt von 2 % erreichten Elektroden mit einer Beladung von 10 mAh cm−2 80 % Entladekapazität bei 0,5C.

Trotz ihres Versprechens steht die DBE-Technologie vor mehreren Hürden, bevor sie in großem Maßstab industriell eingesetzt werden kann:

• Gleichmäßige Materialmischung: Die Gewährleistung einer homogenen Trockenmischung von aktiven Materialien, leitfähigen Mitteln und Bindemitteln ist von größter Bedeutung. Agglomeration oder Schichtung kann zu einer ungleichmäßigen Widerstandsverteilung führen, was die Batterieleistung beeinträchtigt.
• Bindemittelauswahl und -dosierung: Trockenelektroden erfordern Bindemittel mit robuster Haftung, Toleranz gegenüber Volumenänderungen während des Zyklus und struktureller Stabilität. Der Bindemittelgehalt muss präzise sein – zu wenig beeinträchtigt die Elektrodenfestigkeit; zu viel reduziert die Energiedichte.
• Verdichtungsoptimierung: Der Verdichtungsprozess der Trockenelektrode beeinflusst entscheidend die Porosität, Dichte und elektrische Leitfähigkeit. Die Optimierung dieses Schritts, um Festigkeit und Leistung in Einklang zu bringen, bleibt eine zentrale Herausforderung.
• Entwicklung von Ausrüstung und Verfahren: Bestehende LIB-Produktionslinien sind für Nassverfahren ausgelegt. Spezielle Trockenmisch-, Beschichtungs- und Verdichtungsanlagen müssen entwickelt werden.
• Kostenkontrolle: Während die DBE-Technologie die Kosten senken kann, erfordert die praktische Umsetzung eine sorgfältige Berücksichtigung der Material-, Ausrüstungs-, Energie- und Arbeitskosten, um die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit zu gewährleisten.

Doch diesen Herausforderungen stehen erhebliche Chancen gegenüber:

• Geringere Produktionskosten: Die Eliminierung von Lösungsmitteln reduziert die Beschaffungs-, Rückgewinnungs- und Entsorgungskosten und senkt gleichzeitig den Energieverbrauch und vereinfacht die Arbeitsabläufe.
• Höhere Energiedichte: Ein reduzierter Bindemittelgehalt ermöglicht höhere Anteile an aktivem Material und steigert so die Energiedichte.
• Umweltvorteile: Die lösungsmittelfreie Produktion steht im Einklang mit den Zielen der umweltfreundlichen Herstellung.
• Erhöhte Effizienz: Rationalisierte Prozesse verkürzen die Produktionszyklen und verbessern den Durchsatz.
• Erweiterte Materialoptionen: Die Trockenverarbeitung ermöglicht die Verwendung von lösungsmittelanfälligen Materialien, die zuvor mit Nassverfahren nicht kompatibel waren.

Die Trockenelektroden-Technologie stellt einen disruptiven Sprung in der LIB-Herstellung mit immensem Potenzial dar. Obwohl Herausforderungen bestehen, positionieren die laufenden Fortschritte in der Materialformulierung, der Prozessverfeinerung und der Geräteinnovation DBE so, dass sie eine entscheidende Rolle bei der Senkung der Kosten, der Verbesserung der Energiedichte und der Verbesserung der Nachhaltigkeit spielt. Mit zunehmender Forschung und Industrialisierung könnte sich die DBE-Technologie als dominierende Produktionsmethode herauskristallisieren, die die EV-Revolution vorantreibt und den globalen Energiewandel unterstützt. Durch die Verfeinerung der Materialverhältnisse, die Optimierung der Prozesse und die Vertiefung des Verständnisses der Beziehungen zwischen Mikrostruktur und Leistung kann die Industrie das volle Potenzial von DBE erschließen und die Batterietechnologie in eine sauberere, effizientere Zukunft treiben.