Durch ein neues Beschichtungsverfahren könnte die Produktion von Batterien künftig schneller und günstiger werden. (Bild: KIT, Ralf Diehm)
Bei der Herstellung von Elektroden für Batterien wird Elektrodenmaterial in Form einer dünnen Paste auf eine Folie aus Kuper oder Aluminium aufgetragen. Das Muster ist dabei von kurzen Abschnitten unbeschichteter Folie unterbrochen. Für diese Abschnitte muss der Beschichtungsprozess immer wieder unterbrochen und neu gestartet werden. Eine besondere Herausforderung besteht dabei darin, scharfe Kanten ohne ein Verschmieren des Materials bei gleichzeitig sehr hohen Produktionsgeschwindigkeiten zu ermöglichen.
„Präzision bei der Elektrodenbeschichtung ist ein ganz wesentlicher Faktor für die Effizienz und die Kosten der gesamten Batteriezellenproduktion“, sagt Professor Wilhelm Schabel vom Institut für Thermische Verfahrenstechnik – Thin Film Technology (TVT-TFT) am KIT. „Selbst kleine Produktionsfehler machen Batteriezellen unbrauchbar. Aufgrund des hohen Ausschusses und des geringen Durchsatzes sind Lithium-Ionen-Batterien heute teurer, als es eigentlich notwendig wäre.“ Insbesondere in diesem Bereich der Zellfertigung seien hohe Kosteneinsparungen möglich, die ein Team des KIT mit einem neuen Verfahren realisieren möchte.
Hierzu hat Ralf Diehm, Doktorand am KIT, die Düse für das Elektrodenmaterial mit einer schwingenden Membran ausgestattet, die das Auftragen der Beschichtungspaste zyklisch stoppt und wieder startet. „Da diese Membran im Vergleich zu mechanischen Ventilen viel leichter ist, sind sehr schnelle Reaktionszeiten und somit hohe Geschwindigkeiten möglich“, erklärt Diehm. „Bislang waren Hersteller auf Geschwindigkeiten von etwa 30 bis 40 Meter pro Minute begrenzt. Mit der neuen Technologie erreichen wir bis zu 150 Meter pro Minute bei der Elektrodenbeschichtung.“ Weil sich die Membran präziser steuern lasse als mechanische Ventile, verringere sich der Ausschuss deutlich.
Die Technologie soll nun im Rahmen eines Spin-offs von Ralf Diehm und seinem Team vom Labor in die industrielle Produktion überführt werden. Um die Effizienz in der Produktion von Batterien weiter zu steigern, entwickelte eine Forschergruppen am KIT außerdem eine Möglichkeit, die Trocknungszeit der Elektrodenbeschichtung um rund 40 Prozent zu senken.