Lithium-Ionen-Batterien sind das Rückgrat der Elektromobilität und moderner Energiespeicher. Doch ihre Herstellung belastet die Umwelt: Standardbinder wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) – ein Kunststoff, der Elektroden zusammenhält – erfordern das giftige Lösungsmittel N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP). Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA haben die Herstellung wasserbasierter Lithium- Eisenphosphat-Kathoden gezielt weiterentwickelt, indem sie den Einfluss unterschiedlicher Dispergierverfahren systematisch untersucht haben. Dabei kommt der biobasierte Binder Carboxymethylcellulose (CMC) zum Einsatz. CMC ist wasserlöslich, stammt aus Zellulose und ermöglicht eine vollständig wasserbasierte Prozessführung ohne organische Lösemittel.

Lithium-Eisenphosphat (LFP) ist eine Alternative zu den häufig aus Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden (NMC) hergestellten Kathoden. LFP ist thermisch stabil und erreicht lange Zyklenlebensdauern. In der industriellen Praxis bremst jedoch die vergleichsweise geringe Leitfähigkeit von LFP die Leistungsfähigkeit bei hohen Lade- und Entladeraten. Zur Funktion von LFP-Kathoden in einer Batterie: In Lithium-Ionen-Batterien sind die Kathoden die "Energiereservoirs" für Lithium-Ionen und bestimmen maßgeblich Spannung, Energiedichte und Lebensdauer der Zelle. Lithium-Eisenphosphat-Kathoden speichern die Lithium-Ionen in einem kristallinen Wirtsgitter und geben sie beim Entladen kontrolliert an die Anode ab, wodurch der Stromfluss für Antriebe, stationäre Speicher oder industrielle Anwendungen bereitgestellt wird.

Zwei Dispergierverfahren im Vergleich

Das Fraunhofer-Team untersuchte systematisch zwei industriell relevante Verfahren, mit denen aus Aktivmaterial, Leitruß, Binder und Wasser eine Paste gemischt wird: einen klassischen Dissolver und das Hochdruckverfahren Wet Jet Milling. Beim Dissolver-Mischen rotiert eine gezahnte Scheibe mit hoher Geschwindigkeit in der Paste, auch Slurry genannt, wodurch Scherkräfte entstehen, die die Partikelagglomerate aufbrechen. Das Wet Jet Milling ist ein Hochdruckverfahren, bei dem die Paste mit bis zu 2.200 bar durch Mikrodüsen gepresst wird. Es bewirkt intensive Partikelkollisionen und eine sehr effiziente Zerkleinerung.

Von Partikelgrößenverteilung bis Elektrochemie

Die Forschenden charakterisierten die resultierenden Pasten hinsichtlich Partikelgrößenverteilung, Viskosität (Fließverhalten) und Sedimentationsverhalten. Die beschichteten und kalandrierten Elektroden – also verdichteten Elektrodenschichten – wurden mit Dickenmessungen und Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Die elektrochemische Leistungsfähigkeit wurde durch C-Raten-Tests ermittelt. Bei diesen werden Batteriezellen mit unterschiedlichen Lade- und Entladegeschwindigkeiten getestet (0,1 C = sehr langsames Laden/Entladen, ca. 10 h für volle Ladung/Entladung; 1 C = "nominal", 1 h; 3 C = sehr schnell, 20 min).

Deutliche Unterschiede bei Verarbeitungseigenschaften

Die Ergebnisse zeigen deutliche Unterschiede in den Slurry-Eigenschaften: Das Wet Jet Milling reduzierte die mittlere Partikelgröße um 39 Prozent (von 7,91 auf 4,78 Mikrometer) und senkte die Viskosität drastisch – um 96 Prozent bei niedrigen, 80 Prozent bei mittleren und 64 Prozent bei hohen Scherraten. Durch die feineren Partikel und die niedrigere Viskosität beim Wet Jet Milling konnte ein höherer Feststoffgehalt im Vergleich zur Dissolver-Paste verarbeitet werden, was den Energiebedarf für die Trocknung senken kann.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten, dass die durch Wet Jet Milling hergestellten Elektroden homogener und dichter gepackt waren. Die Grenzfläche zum Aluminium-Stromkollektor war glatter und geschlossener, was einen besseren Stromfluss und mechanische Stabilität erwarten lässt.

Elektrochemische Performance

Trotz der erheblichen Unterschiede in den Verarbeitungseigenschaften unterschied sich die elektrochemische Leistung der Elektroden nur geringfügig. Bei den meisten getesteten C-Raten lagen die Entladekapazitäten – also die Menge an elektrischer Energie, die die Batterie abgeben kann – innerhalb der Messtoleranz. Lediglich bei 1,0 C zeigte die Wet-Jet-Milling-Variante eine um 12,8 Prozent höhere Kapazität (83,8 vs. 73,1 Milliampere-Stunden pro Gramm). Die Forschenden führen dies auf die größere aktive Oberfläche der kleineren Partikel zurück, die schnellere elektrochemische Reaktionen ermöglicht.

Blick auf den Energieverbrauch

Eine Gesamtenergiebilanz fürs Mischen und Trocknen zeigt einen bedeutenden Vorteil: Die Kombination aus Wet Jet Milling und Dissolver-Mischen für die Komplettformulierung benötigte 0,98 Kilowattstunden pro Kilogramm Paste (kWh/kg) – gegenüber 1,70 kWh/kg beim reinen Dissolver-Verfahren. Zusammen mit der Trocknungsenergie entspricht dies einer Energieeinsparung von 42 Prozent. Der höhere Feststoffgehalt der Wet-Jet-Milling-Paste reduziert somit die Trocknungszeiten und steigert die Produktionseffizienz.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Optimierung von Produktionsverfahren genauso wichtig ist wie die Materialauswahl", so Leah Jalowy, die Erstautorin der veröffentichten Studie. Und Mitautor Dominik Nemec ergänzt: "Die wasserbasierte Verarbeitung mit CMC-Binder beseitigt toxische Lösungsmittel aus der Produktionskette, während optimierte Dispergierverfahren Energie sparen und die Produktqualität verbessern – ohne die Batterieperformance wesentlich zu beeinträchtigen."

Die Studie liefert nach Angaben des Fraunhofer-Instituts wichtige Erkenntnisse für Batteriehersteller, die nachhaltige Produktionsprozesse etablieren möchten. Die Vorteile des im Labormaßstab untersuchten Verfahrens könnten bei industrieller Skalierung deutlicher ausfallen. Die Arbeiten für die Studie entstanden innerhalb der Technologieplattform des Dispergierzentrums am Fraunhofer IPA in enger Kooperation mit dem japanischen Maschinenhersteller Sugino.

Publikation:
Jalowy, L., Lehmann, H., Rassek, P., Fromm, O., Entenmann, M., and Nemec, D. Processing Water-Based Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) Cathodes with CMC Binder: The Impact of Dispersing Methods. AppliedChem, 5(4), 33. https://doi.org/10.3390/appliedchem5040033

Quelle: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA