Die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien zur Stromversorgung von Elektrofahrzeugen ist entscheidend für eine saubere Energiewirtschaft. Doch ihre Elektroden werden in der Regel mit giftigen Lösungsmitteln in Form einer feuchten Schlämme hergestellt. Dieser teure Fertigungsprozess birgt gesundheitliche und Umweltrisiken.
Frühe Experimente am Oak Ridge National Laboratory des Department of Energy haben signifikante Vorteile eines trockenen Batterieherstellungsverfahrens aufgezeigt. Dabei entfällt das Lösungsmittel, und es besteht die vielversprechende Möglichkeit, Batterien herzustellen, die langlebig sind, weniger durch inaktive Elemente belastet werden und auch nach Gebrauch eine hohe Energiespeicherkapazität aufrechterhalten können. Diese Verbesserungen könnten die breitere Akzeptanz von Elektrofahrzeugen fördern, dazu beitragen, den Kohlenstoffausstoß zu reduzieren und die Klimaziele der USA zu erreichen.
Trockene Herstellung für eine nachhaltige Zukunft
Die trockene Herstellung ist eine vergleichsweise neue Alternative, die nicht nur Platz auf dem Fabrikboden spart, sondern auch Zeit, Energie, Abfallentsorgung und Startkosten reduziert. Bislang hatten Forscher jedoch nur begrenzte Kenntnisse darüber, wie und warum diese Methode funktioniert.
Forscher:innen des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) und der Industriepartner Navitas Systems untersuchten, wie sich der Trockenprozess auf die Struktur von Batteriematerialien und ihre elektrochemischen Eigenschaften auswirkt. Batterien erzeugen Energie, indem Lithium-Ionen zwischen den Elektroden, der Kathode und Anode, wandern. Das Team konzentrierte sich auf eine trockene Herangehensweise bei der Verarbeitung der Elektroden, bei der trockene Pulver mit einem Bindemittel gemischt und das Material verdichtet wird, um den Kontakt zwischen den Partikeln zu verbessern. Diese Strategie könnte sowohl auf die Anode als auch auf die Kathode angewendet werden, indem bestimmte Materialien oder Mischmethoden in den Fokus rücken.
Nachdem Navitas die Elektroden hergestellt hatte, maßen die Forscher:innen des ORNL unter der Leitung von Jianlin Li und Runming Tao deren elektrochemische Leistung in verschiedenen Bedingungen und über verschiedene Zeiträume hinweg. Das Team erreichte ein neues Verständnis dafür, wie sich die trocken verarbeiteten Elektroden abbauen.
Langlebige Batterien mit hoher Energiedichte
Die Batterien, die mit dem trockenen Verfahren hergestellt wurden, zeigten eine “herausragende” Fähigkeit, ihre Kapazität auch nach langem Gebrauch beizubehalten, wie in der Chemical Engineering Journal berichtet. Sie sind “chemisch sehr wünschenswert”, da ihre Struktur Lithium-Ionen einen direkteren Weg zwischen Anode und Kathode ermöglicht. Die Elektroden sind dicker, um eine höhere Energiebeladung zu ermöglichen und inaktive Bestandteile zu reduzieren, die Größe und Gewicht erhöhen würden.
“Tatsächlich sind mehr aktive Materialien in der Elektrode enthalten”, sagte Tao. “Und auch nach vielen Zyklen wird sie nur wenige Risse aufweisen.” Diese beiden Vorteile spiegeln eine hohe Energiedichte und eine gute Langzeit-Zyklisierung wider. Die Elektrode kann gut gebogen und flexibel sein, was eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit und die erforderliche Wickelfähigkeit für die Massenproduktion von Batterien demonstriert.
Das trockene Verfahren könnte eine Vielzahl von Vorteilen für Hersteller und die US-Lieferkette bieten: Es ist hochkompatibel mit modernster Elektrodenherstellungstechnologie, während seine reduzierte Umweltauswirkung Batteriefabriken an mehr Orten möglich macht.
“Wenn man sich die gigantischen Fabriken ansieht, sind es Milliarden von Dollar, um die Batterien hochzuskalieren”, sagte Bryan Steinhoff, technischer Leiter und leitender Forscher des Projekts bei Navitas. “Das trockene Verfahren kann die Beschichtungs- und Lösungsmittel-Ausrüstung, die derzeit für die Großproduktion von Batterien erforderlich ist, eliminieren. Wenn man stattdessen ein trockenes Verfahren verwenden kann, kann man seinen Fußabdruck um bis zu 40 oder 50% reduzieren, was Hunderte von Millionen von Dollar spart und die Schaffung einer Infrastruktur ermöglicht, die weitgehend unabhängig von Asien ist.”
Der nächste Schritt in der Forschung besteht darin, das Material zu stabilisieren, das die Anodenkomponenten mit einem dünnen Metallstromkollektor verbindet. “Ein Hauptziel dieses Projekts ist es, ein besseres Bindemittel für das trockene Verfahren zu entwickeln oder zu identifizieren, da das aktuelle Bindemittel für die Anodenumgebung nicht sehr stabil ist”, sagte Li. Das Team arbeitet auch daran, die Menge an Ruß zu reduzieren, einem Material, das die Batterieleitfähigkeit aufrechterhält, aber von ihrer Energiedichte ablenkt.
Die Forscher:innen des ORNL und Navitas setzen die Verfeinerung des Verfahrens fort, um die elektrochemische Leistung zu verbessern. Ziel ist es, die Vor- und Nachteile der dickeren Elektrode auszugleichen: Sie bietet Potenzial für eine höhere Energiebeladung und ist einfach zu wickeln, aber sie könnte weniger Leistung bieten, da die Ionen weiter reisen müssen.
Die Forschung wurde vom DOE Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office finanziert und im Battery Manufacturing Facility des DOE durchgeführt.
Quelle: Trockene Batterien revolutionieren die Elektromobilität: Ein Schritt Richtung grüne Energie
