Pulvertechnik für die Batteriezellfertigung

Die industrielle Skalierung neuer Produktionsprozesse für Batteriekomponenten ist entscheidend, damit innovative Batterietechnologien in die Anwendung gelangen. Leistungsfähige Materialien allein reichen dafür jedoch nicht aus: Sie müssen auch in skalierbaren, effizienten und nachhaltigen Herstellungsprozessen verarbeitet werden.

Genau hier setzt die Forschung des Fraunhofer IFAM an: Mit innovativen Pulvertechnologien und lösungsmittelfreien Elektrodenprozessen entwickelt das Institut neue Ansätze für die Batteriezellfertigung und betrachtet deren Umsetzung bis hin zur industriellen Produktion.

Diese Entwicklungen sind nicht nur für bestehende Unternehmen wie Materialhersteller, Maschinen- und Anlagenbauer oder Batteriezellhersteller relevant. Vielmehr unterstützt das Fraunhofer IFAM auch Firmen, die bisher nur Teilbereiche der Batteriefertigung abdecken oder das Feld der Batteriezellherstellung neu erschließen möchten.

Hohe Energiekosten und komplexe Produktionslinien reduzieren – durch Trockenprozessierung und Dry Coating

Bei der konventionellen lösungsmittelbasierten Herstellung von Batterieelektroden werden Aktivmaterialien, Binder und weitere Komponenten zunächst in Lösungsmitteln dispergiert. Der entstehende Slurry wird anschließend auf Ableiterfolien appliziert. Dieser Nassbeschichtungsprozess erfordert eine anschließende Trocknung und Lösungsmittelrückgewinnung und verursacht einen hohen Energiebedarf, komplexe Anlagentechnik und entsprechend hohe Kosten.

Die Trockenprozessierung bestehend aus Trockenmischen und Dry Coating, also die Herstellung von Batterieelektroden ohne den Einsatz flüssiger Lösungsmittel, verfolgt einen anderen Ansatz: Die Materialien werden als Pulver gemischt und direkt zu Elektroden weiterverarbeitet. Energieaufwendige Trocknungsschritte und die Rückgewinnung von Lösungsmitteln können dadurch entfallen.

Für Unternehmen ergeben sich dadurch wichtige Potenziale:

• Reduzierung des Energiebedarfs durch den Wegfall von Trocknungsprozessen
• Vereinfachung von Produktionslinien und ein geringerer Flächenbedarf
• Senkung von Investitions- und Betriebskosten
• Erschließung neuer Materialkonzepte und Batterietechnologien (z.B, für Lithium-Ionen-, Natrium-Ionen- und Festkörperbatterien)
• Verzicht auf den Einsatz toxischer Lösungsmitte

Von PFAS-freien Bindern bis zur Prozessstabilität – zentrale Herausforderungen der trockenen Elektrodenfertigung lösen

Der Umstieg auf eine trockene Elektrodenfertigung ist weit mehr als die Eliminierung von Lösungsmitteln. Materialien, Anlagen und Prozessführung müssen aufeinander abgestimmt werden, um leistungsfähige und reproduzierbare Elektroden herstellen zu können.

Zu den zentralen Herausforderungen gehören:

• die homogene Verteilung aller Pulverkomponenten
• die Sicherstellung der mechanischen Stabilität der Elektroden
• die Optimierung des Binderanteils im Spannungsfeld zwischen Stabilität und Zellperformance
• die Überführung neuer Materialkonzepte in robuste Produktionsprozesse

Am Fraunhofer IFAM betrachten wir die gesamte Prozesskette – von der Pulvercharakterisierung über die Herstellung trockener Elektrodenmischungen bis zur Zellprüfung und können neue Materialien und Verfahren praxisnah untersuchen, vergleichen und bis in den Kilogramm-Maßstab skalieren.

Dazu zählen unter anderem:

• die Entwicklung und Bewertung PFAS-freier Binder als Alternative zu PTFE-basierten Systemen
• die Optimierung von Pulveraufbereitung und Mischprozessen
• die Sicherstellung reproduzierbarer Produkteigenschaften
• die Skalierung lösungsmittelfreier Fertigungsverfahren

Unternehmen erhalten dadurch belastbare Daten für technologische Entscheidungen und Investitionen in zukünftige Produktionslinien.

Die richtige Misch- und Anlagentechnik – herstellerunabhängig und datenbasiert

Die Auswahl geeigneter Misch- und Aufbereitungstechnologien hat entscheidenden Einfluss auf Produktqualität, Prozessstabilität und Wirtschaftlichkeit. Gleichzeitig stehen Unternehmen vor der Herausforderung, aus einer Vielzahl verfügbarer Technologien die passende Lösung auszuwählen.

Das Fraunhofer IFAM verfügt über einen umfangreichen Pool an Misch- und Aufbereitungstechnologien, die im Anwendungszentrum Pulvertechnik herstellerunabhängig untersucht und miteinander verglichen werden können. Dazu gehören unter anderem:

• Batch-Mischverfahren wie Taumelmischer, Intensivmischer und Knetmischer
• kontinuierliche Mischverfahren mit Compoundern und Extrudern

Durch die Kombination aus prozessbegleitender Datenerfassung, Pulvercharakterisierung sowie Elektroden- und Zellanalytik können Zusammenhänge zwischen Materialeigenschaften, Prozessparametern und späterer Zellperformance systematisch untersucht werden.

Versuche und Analysen können für unterschiedliche Batteriesysteme durchgeführt werden, darunter Lithium-Ionen-, Natrium-Ionen-, Zink-Ionen- und Festkörperbatterien. Besonders hervorzuheben sind die Möglichkeiten zur Verarbeitung von harten Materialien wie NCM-haltigen Kathodenaktivmaterialien sowie feuchtigkeitsempfindlichen Festelektrolyten auf Sulfidbasis.

Neue Batterietechnologien schneller und fundierter bewerten

Unternehmen stehen heute vor der Aufgabe, zukünftige Materialien, Prozesse und Anlagen frühzeitig zu bewerten und technologische Risiken zu minimieren. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Nachhaltigkeit, Energieeffizienz und Skalierbarkeit.

Das Fraunhofer IFAM unterstützt dabei, neue Fertigungskonzepte fundiert zu bewerten und Entwicklungsrisiken zu reduzieren. Von der Materialauswahl über die Herstellung trockener Elektrodenmischungen bis hin zur prozessnahen Erprobung bündeln wir Kompetenzen aus Pulvertechnik, Materialentwicklung, Energiespeicherung und Prozesstechnik.

So können neue Batteriematerialien und innovative Herstellungsverfahren schneller, wirtschaftlicher und mit geringerem Entwicklungsrisiko in die industrielle Anwendung überführt werden.

Auf einen Blick - unser Angebot umfasst unter anderem:

• Materialscreening für Aktivmaterialien für Anoden und Kathoden, Bindermaterialien
• Prozessentwicklung
• Mischtechnikvergleich Batch- und Konti-Anlagen
• Dry-Coating-Machbarkeitsstudien
• Skalierungsversuche im kg-Maßstab
• Elektroden- und Zellcharakterisierung
• Bewertung von PFAS-freien Binderkonzepten
• Unterstützung bei Anlagen- und Technologieentscheidungen