Neues Trocknungsverfahren für Batterieproduktion

Lithiumbatterien haben unter anderem den Vorteil, dass sie aufgrund ihrer geringen Selbstentladung sehr lange gelagert werden können. Dem entgegen wirkt jedoch Wasserdampf, der in Form von Restwasser in den Zellen zu rapidem Leistungsverlust und vorschneller Alterung führt.

Ein wichtiger Schritt bei der Herstellung von Batterieelektroden und Separatoren ist daher die gründliche Trocknung bzw. Nachtrocknung der Materialien. Im Rahmen des Forschungsprojekts InTenZ (Intensive Nachtrockung von Komponenten für Lithium-Ionen-Zellen in diskontinuierlichen Trockenöfen) will die Hochschule Landshut gemeinsam mit der TU Braunschweig und dem Karlsruher Institut für Technologie dieses Trocknungsverfahren effektiver gestalten und die Batterieproduktion damit kostengünstiger machen. Das erste Projekttreffen fand im Januar am Technologiezentrum Energie in Ruhstorf an der Rott statt.

Herkömmliche Nachtrocknung sehr aufwändig

Die herkömmliche Herstellung von Elektroden und Separatoren erfolgt in Rolle-zu-Rolle-Prozessen, d.h. das Material für Anode und Kathode wird zu einer flüssigen Paste (Slurry) vermischt, die dann – ähnlich wie bei einem Siebdruckverfahren – auf Kupfer- bzw. Aluminiumfolien aufgebracht wird.

Die beschichteten Folien laufen zum Trocknen durch Öfen, werden anschließend mittels mehrerer rotierender Walzen verdichtet (Kalandern) und schließlich zu großen Wickeln aufgerollt (Elektrodencoils). Da hierbei aber noch Rest-Feuchtigkeit im Material bleibt, müssen diese Rollen mit einem Gewicht zwischen 30 und 125 Kilogramm ein weiteres Mal abgerollt, nachgetrocknet und wieder aufgerollt werden.

Effektive Nachtrocknung durch neues Verfahren

Diesen letzten Schritt wollen die Projektpartner von InTenZ nun vereinfachen, indem bei dem neuen Verfahren die großen Wickel in aufgerollter Form im Trockenofen innerhalb kurzer Zeit bis in die Porenstruktur getrocknet werden sollen.

„Beim herkömmlichen Verfahren dauert die Nachtrocknung zirka fünf bis sechs Stunden“, erklärt Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger, Projektleiter an der Hochschule Landshut, „mit dem neuen Trocknungskonzept können wir es unter einer Stunde schaffen. Das bedeutet eine enorme Zeitersparnis bei der Batterieproduktion. Darüber hinaus verhindern wir so auch mögliche Beschädigungen und Verunreinigungen der Folien, die durch das erneute Ab- und Aufrollen entstehen können.“

Schnellere und günstigere Produktion

Die Hochschule Landshut entwickelt dazu im Technologiezentrum Energie in Ruhstorf ein Funktionsmuster des neuen Trockenofens, das im Labor als Versuchsmodell das neue Verfahren simuliert. An ihm untersuchen die Projektpartner, wie durch bestimmte Druckprofile und Wärmeeintrag mittels gepulster IR-Strahler Wassermoleküle rasch aus dem Material entfernt und so die Feuchtigkeit schrittweise rausgezogen werden kann.

„Unser Ziel ist es, nach kurzer Zeit eine 99,999-prozentige Trocknung zu erreichen“, so Pettinger. Die Simulation vorab diene dazu, die Auswirkung der Nachtrocknung auf das Trocknungsgut zu verstehen und den Prozess bezüglich Zeit- und Energieaufwand zu optimieren. Bis Mai 2020 haben die Projektpartner Zeit. Verläuft das Forschungsprojekt erfolgreich, kann die neue Technologie anschließend als Prototyp entwickelt werden und in die industrielle Anwendung gehen – und die Batteriehersteller könnten schon bald von dem zeit- und kostensparenden Verfahren profitieren.

Über das Projekt
Das Projekt InTenZ unter der Schirmherrschaft der Fachgruppe Batterieproduktion des VDMA läuft bis Mai 2020 und wird vom Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. gefördert. Die Projektleiter an der Hochschule Landshut sind Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger und Prof. Dr. Tim Rödiger; die Gesamtprojektleitung liegt bei der Hochschule Landshut. Die Industrietreffen organisiert das Team von Prof. Arno Kwade von der TU Braunschweig. Die Finanzierung des Projekts übernimmt das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. Die Gesamtsumme liegt bei 790.000 Euro.

Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger