Elektrodenfertigung und Prozessentwicklung

Ein zentraler Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe »Prozessentwicklung und Prozessüberwachung« umfasst die Entwicklung und Optimierung von Rezepturen und Fertigungsprozessen für Elektrodenfolien im Pilotmaßstab. Aus technologischer Sicht stehen in diesem Kontext Lithium-Ionen-Batterien und Hochleistungskondensatoren für mobile Anwendungen im Fokus. Dafür werden sowohl kommerziell verfügbare Aktivmaterialien, Binder und Additive als auch IKTS-eigene Aktivmaterialien (z. B. LiNi_0,5Mn_1,5O₄) zu Elektrodenschlickern bzw.-pasten verarbeitet und für Forschungszwecke auf Stromsammlerfolien appliziert. Somit lassen sich beispielsweise keramische Funktionsschichten in einem weiteren Tape-Casting-Schritt auf vorhandene LFP-Elektroden aufbringen, wodurch die Komponente des Separators ersetzt werden kann. Für PEM-Brennstoffzellen wird mit IKTS-internen Arbeitsgruppen ein galvanisches Elektrodenbeschichtungsverfahren mit reduzierten Pt-Katalysatormengen entwickelt und skaliert.

Neben der Rezeptur haben die Struktur und Morphologie der Elektroden einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften und Leistungsparameter der Zelle. Für die systematische Optimierung des Elektrodendesigns kommen neben empirischen, wissensbasierten Ansätzen auch modellgestützte Methoden zum Einsatz, die an der TU Dresden entwickelt und in gemeinsamen Forschungsprojekten für eigene Elektrodenentwicklungen validiert wurden. Gerade bei der Herstellung von Elektroden mit einer hohen Flächenkapazitätsbeladung können mithilfe von Simulation und Optimierung zielgerichtet die spezifischen Designparameter der Elektrode (Porosität, Schichtdicke, Partikelverteilung) identifiziert werden. Damit kann die maximal erreichbare Ratenfähigkeit fertigungstechnisch in ein reales Elektrodendesign umgesetzt werden.

Generell können während der Elektrodenfertigung durch die Auswahl geeigneter Prozessparameter die Langzeitstabilität und Performance der Elektroden wesentlich beeinflusst und Vorteile hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Qualität erreicht werden. Im Blickpunkt typischer Entwicklungen stehen u. a.:

• Reproduzierbare Schlicker- und Pastenherstellung im Pilotmaßstab bis zu 10 kg
• Vermeidung von Gaseinschlüssen, Querkontaminationen und Agglomeraten
• Substitution organischer durch wässrige Lösungsmittel, um die Umweltverträglichkeit des Herstellprozesses zu verbessern
• Optimale Elektrodenhaftung und Binderverteilung nach der Trocknung
• Hohe Beschichtungsgeschwindigkeiten durch Rolle-zu-Rolle-Prozesse (R2R)
• Gleichmäßige Oberflächenqualität (ohne Lunker, Agglomerate, Falten)
• Minimierung der Schichtdickenschwankungen für großformatige Zellen
• Gleichmäßige, kontinuierliche Verdichtung im Kalander

Aufbauend auf der Erfahrung mit keramischen Folien kann die Arbeitsgruppe auf umfangreiches Know-how aus der Schlickerherstellung sowie vorindustriellen Gieß- und Extrusionsprozessen zurückgreifen. Dieses spezifische Know-how kommt Kunden zugute, die neue Materialien aus der Vorentwicklung in die Serienfertigung überführen und vorab unter industrienahen Fertigungsbedingungen im Applikationszentrum Batterietechnologie die technologischen Prozessparameter identifizieren bzw. validieren möchten.

 

Leistungsangebot

 

• Modellgestützte Elektrodenentwicklung und Optimierung nach Kundenspezifikation
• Herstellung von Elektrodenschlickern und -pasten im vorindustriellen Maßstab
• Entwicklung und Optimierung innovativer Fertigungskonzepte zur Elektrodenherstellung
• Durchführung von Material- und Beschichtungsversuchen von Elektrodenfolien mittels klassischem Casting-Prozess (Doctor-Blade oder Breitschlitzdüse) oder kalt- bzw. heißplastischer Folienextrusion unter Trockenraumbedingungen
• Upscaling der Fertigungsprozesse und Technologietransfer zum Kunden
• Aufbau von prototypischen, mono- und bipolaren Mehrlagenzellen
• Elektrochemische Bewertung und Analyse von Testzellen
  
• Machbarkeitsstudien und Beratung im Bereich Prozessentwicklung