Als mobile Energiespeicher sind Lithium-Ionen Batterien in Mobiltelefonen, Laptops oder Werkzeugen nicht mehr aus dem alltäglichen Leben wegzudenken. Diese dominante Marktstellung verdanken sie ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte. So werden Lithium-Ionen Batterien in den vergangenen Jahren nicht nur zunehmend stärker diskutiert, wenn es vor dem Hintergrund der Energiewende um die Abkehr von einer atomaren Stromversorgung geht, sondern auch als Alternative zu verbrennungsmotorisierten Autos in elektrisch betriebenen Fahrzeugen. Allerdings lässt der Durchbruch in diesen Anwendungsbereichen noch auf sich warten, was, besonders im Falle der Elektromobilität, auf zwei wesentliche Punkte zurückgeführt werden kann:

• Unzureichende volumetrische Energiedichte

• Kosten

Dem ersten Punkt wird seitens der Materialforschung vermehrt Aufmerksamkeit geschenkt, welche intensiv an neuen Aktivmaterialien forscht. Die Verfahrenstechnik spielt an dieser Stelle eine zunächst eher untergeordnete Rolle, da auf die Energiedichte auf diesem Wege nur beschränkt Einfluss genommen werden kann.

Eine gewichtige Rolle spielt die Prozessierung allerdings bei der Einstellung der Eigenschaften von Batteriezellen. So wirken sich Prozessbedingungen beispielsweise direkt auf die Zyklenfestigkeit von Anoden- und Kathodenschichten aus. Eigenschaften wie Schichtleitfähigkeit, ionische Leitfähigkeit in der komplexen, porösen Struktur der Aktivmaterialschicht oder Kohäsion der verschiedenen, partikulären Komponenten der Elektrodenschicht untereinander, bzw. auf der Ableiterfolie, sind von grundlegender Bedeutung und werden während der Prozessierung maßgeblich beeinflusst. Abb. 1 – Kantenabzugstest einer graphitbasierten Anodenschicht. Links: Isotherm getrocknete Schicht bei 30°C; rechts: Isotherm getrocknete Schicht bei 50°C. zeigt beispielsweise einen einfachen Kantenabzugstest zweier Schichten, die bei 30°C bzw. 50°C isotherm getrocknet wurden. Gut zu sehen ist die deutlich schlechtere Adhäsion der Aktivmaterialschicht auf der Ableiterfolie bei der unter einer höheren Temperatur getrockneten Schicht.

 

Abb. 1 – Kantenabzugstest einer graphitbasierten Anodenschicht. Links: Isotherm getrocknete Schicht bei 30°C; rechts: Isotherm getrocknete Schicht bei 50°C.

Diese Forschungsarbeit beschäftigt sich mit der Wechselwirkung von Trocknungsrandbedingungen im Labor und im industriellen Prozess mit den Eigenschaften von Lithium-Ionen Batterieelektroden. Ein wesentlicher Fokus liegt dabei auf der Übertragbarkeit („Scale-Up“) der Ergebnisse, die im Labor gewonnen werden, auf industrielle Anwendungen. Als Beispiel sei an dieser Stelle die Ambivalenz zwischen Kostenreduktion durch eine schnellere Trocknung und die Optimierung der Produkteigenschaften genannt. Beide Entwicklungsziele konkurrieren in diesem Anwendungsfall und müssen daher sorgsam und, basierend auf einem fundierten, wissenschaftlichen Verständnis, gegeneinander abgewogen werden. Die wissenschaftliche Literatur bietet in diesem Bereich noch keine ausreichende Grundlage, sodass noch viele Fragen ungeklärt sind. Die systematische und grundlagenbasierte Untersuchung der bislang wenig verstandenen Phänomene birgt auch auf Kostenseite noch großes Optimierungspotential.

Dieses Projekt ist unter anderem eingebettet in die Forschung im Rahmen der Projekte:

	MAT4BAT www.mat4bat.eu MAT4BAT project is funded by the European Union's Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under grant agreement n°608931.
	COMPETENCE-E www.competence-e.kit.edu Das Projekt Competence E durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert (Förderkennzeichen 03ET6016).