Die Forscher des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) haben ein umweltfreundliches Verfahren gefunden, um Elektroden für Luthiumionenakkus herzustellen. Denn die heutigen Lithiumionenbatterien bestehen ausnahmslos aus Materialien mit einem großen Nickelanteil in der Kathodenmasse. Dadurch wird die Energiedichte erhöht.
Bei der Herstellung werden aber viele giftige Lösungsmittel und fluorhaltige Chemikalien verwendet. Genau an dieser Stelle setzt die Entwicklung des ZSW an. Denn die Forscher haben nun die industrielle Produktion der Kathoden mit umweltfreundlichen und kostengünstigen Alternativen auf den Weg gebracht. Sie ersetzten das giftige Lösungsmittel NMP durch Wasser. NMP steht für N-Methyl-2pyrrolidon. Die giftige Chemikalie wird aufgrund ihrer thermischen Stabilität und hohen Polarität in vielen Bereichen als Lösungsmittel eingesetzt.
Ausreichend für 200.000 Autokilometer
Die Forscher vom ZSW haben das Standardlösungsmittel NMP sowie das fluorhaltige Bindergemisch PVDF durch eine wässrigen Formulierung ersetzt. Anschließend haben sie mit den neuen Ansätzen Kathoden mit einem hohen Nickelanteil, mit hoher spezifischer Energie und Langlebigkeit im produktionsnahen Pilotmaßstab erfolgreich hergestellt. Die so hergestellten Elektroden wurden in Rundzellen vom Typ 21700 verbaut. Nach 1.000 Lade- und Entladezyklen wiesen diese noch 80 Prozent der Anfangskapazität auf. Umgerechnet auf ein Elektroauto würde dies eine Haltbarkeit von mindestens 200.000 Kilometern bedeuten. Das Fazit: Sie sind damit für den Einsatz in batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugen geeignet.
Möglichkeit der Massenfertigung bewiesen
Damit haben die Forscher ein Stadium der Entwicklung erreicht, an dem sie mehrere Jahre gearbeitet haben. Denn nach eigenen Angaben wurden in den vergangenen Jahren im Labormaßstab beachtliche Fortschritte bei der wasserbasierten Herstellung von Elektroden erreicht, die Aktivmaterialien mit einem hohen Nickelanteil enthalten. Einen Nachweis der Machbarkeit in einem produktionsnahen Maßstab gab es jedoch bisher noch nicht. Dies ist dem ZSW jetzt gelungen. „Unsere Arbeiten sollen die Herstellung von Elektroden in Lithiumionenbatterien verbessern und umweltfreundlich machen, ohne die Leistung der Batterien zu beeinträchtigen“, beschreibt Markus Hölzle, Leiter des ZSW Geschäftsbereich in Ulm, das Ziel. „Dabei spielt die Substitution von giftigen Lösungsmitteln und biologisch nicht abbaubaren fluorhaltigen Chemikalien eine wichtige Rolle.“
Vorteile beim Recycling
Margret Wohlfarth-Mehrens, die als Fachgebietsleiterin für die Arbeiten verantwortlich war, ergänzt: „Mit unserem neuen Produktionsverfahren verringern wir den ökologischen Fußabdruck von Lithiumionenbatterien deutlich. Nachdem bei den Anoden bereits seit vielen Jahren auch im industriellen Maßstab mit Wasser als Lösungsmittel gearbeitet wird, haben wir das nun auch bei den Kathodenmaterialien geschafft. Der Einsatz von Wasser ermöglicht neben dem Wegfall von giftigen Lösungsmitteln auch die Nutzung von nichtfluorierten Bindern, was das Recycling von Batterien deutlich vereinfacht“, nennt sie noch einen weiteren Vorteil der Neuentwicklung.
100 Meter lange Elektroden hergestellt
Doch nicht nur die ökologischen Aspekte spielten bei der Entwicklung eine Rolle. Denn durch die wässrige Formulierung könne die Forscher auch die Kosten bei der Zellfertigung senken. Angefangen haben sie mit Elektroden im Millimetermaßstab. Inzwischen konnten sie aber auch erfolgreich Elektroden von rund 100 Meter Länge herstellen. Dazu haben die Forscher die vorher entwickelten Materialien im Kilogrammmaßstab eingesetzt. Diese Pilotgröße gilt als Schlüsselschritt bei der Übertragung von wenige Millimeter großen Laborproen in die großtechnische Anwendung, bei der es um Kubikmeter und Tonnen geht.
Das ZSW konnte mit den 100 Meter langen Elektrodenbändern auch erstmalig vollwertige zylindrische Batteriezellen des Formats 21700 produzieren. Dieses Zellformat setzt etwa der Autobauer Tesla in seinem Model 3 ein. Diese Batterien sind aber auch für den Einsatz im E-Bike geeignet. Die Übertragung des Prozesses auf weitere Zellformate sei nun der nächste Schritt. (su)
