Trockenelektroden senken Energieverbrauch und Kosten in der Batteriefertigung. Eine neue Mischtechnik ermöglicht, sowohl Nass- als auch Trockenelektroden mit einem System herzustellen – Anwender profitieren von flexibleren Prozessen und kürzeren Umrüstzeiten.
Dr. Stefan Gerl, Leiter Verfahrenstechnik, EirichDr. Stefan Gerl, Leiter Verfahrenstechnik,Eirich
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(Bild: Eirich)
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Fortschritte in der Materialwissenschaft und Elektrochemie stellen ständig neue Anforderungen an die Batterieproduktion.
Eine flexible Mischtechnik ermöglicht sowohl Nass- als auch Trockenprozesse.
Denn Trockenelektroden sparen Energie und Herstellungskosten.
Die Klimakrise und die Transformation des Energiesystems als ein Teilaspekt gehören zu den drängendsten Herausforderungen unserer Zeit – und sie sind untrennbar miteinander verbunden. Die Elektromobilität steht dabei, insbesondere aufgrund ihrer kosten- und ressourcenintensiven Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien, an einem Wendepunkt. Angesichts steigender Anforderungen an Kosteneffizienz und Klimaschutz geraten herkömmliche Verfahren der Batteriezellfertigung zunehmend unter Druck.
Besonders die Elektrodenherstellung – bislang dominiert vom energie- und ressourcenintensiven Nassverfahren – erweist sich als Flaschenhals für weitere Fortschritte. Einen entscheidenden Impuls für den Wandel setzte Tesla mit dem Vorstellen des Trockenelektrodenverfahrens auf dem Battery Day 2020 – einer Technologie, die auf Entwicklungen des Unternehmens Maxwell aus dem Jahr 2014 zurückgeht. Seither hat sich eine weltweite Dynamik in Bezug auf dieses Fertigungsverfahren entfaltet: Universitäten, Forschungsprogramme wie Circubat oder Prolit sowie Unternehmen wie AM Batteries, Dürr und Powerco investieren massiv in das Weiterentwickeln dieser vielversprechenden Technologie. Ihr Ziel: Die industrielle Reife eines Verfahrens, das das Potenzial hat, die Batteriefertigung grundlegend zu transformieren.
Einen vielversprechenden Ansatz bietet dabei Eirich, ein Hersteller von Mischtechnik. Das Unternehmen hat neben etablierten Produkten für Nasselektroden auch neue Technologien zum Aufbereiten von Trockenelektroden entwickelt. Das Ziel: CO₂ durch einen nachhaltigeren und ressourcenschonenderen Herstellungsprozess einzusparen. Diese Trockenelektrodentechnologie verzichtet auf energieintensive Lösungsmittel und ermöglicht nicht nur, umweltfreundlicher zu fertigen, sondern verspricht auch eine Kostenersparnis von 15 bis 20 %. Ein wichtiger Schritt, um Elektromobilität oder auch stationäre Energiespeicher wirtschaftlicher und klimafreundlicher zu gestalten.
Von trockenen Pulvern bis zu pastösen Massen
In einem Markt, der zunehmend von asiatischen Anbietern geprägt ist, gewinnen europäische Technologien an Bedeutung, wenn sie Effizienz, Nachhaltigkeit und Flexibilität vereinen. Der Mischerhersteller erfüllt mit seinem Ansatz zum Aufbereiten von Elektrodenmischungen für die Trockenelektrodenfertigung genau diese Anforderungen – und leistet damit einen Beitrag zum Weiterentwickeln der chemischen Verfahrenstechnik. Kern der neuen Technologie ist ein hochentwickeltes Mischverfahren, das unterschiedlichste Materialkonsistenzen – von trockenen Pulvern bis zu pastösen Massen – verarbeiten kann. Diese Flexibilität erlaubt es, sowohl Nass- als auch Trockenelektroden mit demselben System herzustellen. Für Anwender bedeutet das: kürzere Umrüstzeiten, geringere Investitionskosten und eine höhere Anpassungsfähigkeit an neue Produktionsanforderungen.
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Das System lässt sich zum Mischen, Granulieren oder Herstellen extrusionsfähiger Elektrodenmassen einsetzen.(Bild: Eirich)
Weniger zu verdampfende Flüssigkeit
Die klassische Produktion von Elektroden beginnt mit dem Mischen der pulverförmigen Ausgangsmaterialien zu einem sogenannten Slurry – einer pastösen Masse, die später auf die Trägerfolien aufgetragen wird. Dieser Schritt ist nicht nur technisch anspruchsvoll, sondern auch energieintensiv, da die beschichteten Elektroden aufgrund des Nassauftrags anschließend auf bis zu 100 m langen Trocknungsstrecken bis zum vollständigen Verdampfen des Lösungsmittels getrocknet werden.
Da die Elektrodenfertigung zu den energieverbrauchsintensivsten Schritten in der Batterieproduktion zählt, rückt auch die Effizienz der eingesetzten Slurryaufbereitung und damit auch die des Mischsystems in den Fokus. Moderne Mischtechnologien bieten hier ein erhebliches Potenzial zum Verbessern. Sie ermöglichen zum einen präzises Dosieren und Rezepturtreue, wodurch die Ausschussrate geringer wird. Zum anderen ist durch die Mischtechnologien auch ein flexibles Verarbeiten unterschiedlichster Materialkonsistenzen möglich, was höhere Feststoffgehalte bei gleichen Verarbeitungseigenschaften erzielt und wiederum die Masse an zu verdampfender Flüssigkeit verringert. Dabei zeigen sich am Markt deutliche Unterschiede: Der Stromverbrauch variiert je nach Mischsystem teils erheblich – mit direkten Auswirkungen auf die Produktionskosten und die ökologische Bilanz. Wer auf energieeffiziente Lösungen setzt, kann nicht nur Emissionen senken, sondern auch die Wettbewerbsfähigkeit seiner Fertigung langfristig stärken.
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Der „Mixsolver“ von Eirich ist in der Lage, bis zu 95 % der Energie einzusparen, die bei konventionellen Mischsystemen, wie Planetenmischern anfällt – ein relevanter Faktor angesichts steigender Energiepreise und wachsender Anforderungen an die CO₂-Bilanz industrieller Prozesse. Der ist darüber hinaus der einzige Batch-Mischer auf dem Markt, der sowohl Nass- als auch Trockenelektroden in einem One-Pot-Herstellungsverfahren realisieren kann. Das System lässt sich darüber hinaus ebenso für das Granulieren oder Herstellen extrusionsfähiger Elektrodenmassen einsetzen. Bei der Produktion von Elektrodenmischungen für Trockenelektroden wird das Aktivmaterial in einem ersten Schritt mit einem Leitruß gecoatet. Dieses stark agglomeriert vorliegende Material muss zum einen optimal dispergiert vorliegen und zum anderen so gleichförmig auf die Aktivmaterial-Oberfläche aufgecoatet werden, dass sich in der späteren Elektrode ein perfektes Leitruß-Netzwerk ausbilden kann. Der polymere Binder wird je nach Verfahren gleichzeitig oder anschließend so aufgeschlossen, dass eine entmischungsfreie Elektrodenmasse entsteht. Diese besitzt bei Verwendung von PTFE als Binder eine spinnennetzartige Fibrillenstruktur, die es ermöglicht, anschließend stabile und selbsttragende Elektrodenfilme herzustellen. Der Hersteller hat die hierfür notwendige Aufbereitungstechnologie in seinem Ein-Topf-Prozess so weiterentwickelt, dass neben ausgezeichneter Fibrillierung und Entmischungsfreiheit, die fertige Mischung auch präzise zu verarbeiten und dosierfähig ist.
Das Aktivmaterial wird im ersten Schritt mit einem Leitruß gecoatet.(Bild: Eirich)
Reduziert Herstellkosten und Zykluszeiten
Durch das gezielte Steuern des Mischprozesses wird eine hohe Homogenität der Ausgangsstoffe erreicht, während Desagglomerationseffekte zu einer besseren Elektrodenqualität beitragen. Das effiziente Verteilen der Bindemittel und die präzise Desagglomeration der groben Leitrußagglomerate sorgen dafür, dass die resultierenden Elektrodenmaterialien die hohen Qualitätsstandards der Automobilindustrie mühelos erfüllen. Die integrierte Temperaturführung innerhalb der Mischprozesse führt zu einer guten Prozessführung sowie -stabilität und reduziert sowohl die Herstellungskosten als auch die Zykluszeiten – ein entscheidender Aspekt für das Herstellen leistungsfähiger Lithium-Ionen-Batterien, da die Produktion dadurch stabil und reproduzierbar ist.
Die Fähigkeit, sowohl Nass- als auch Trockenverfahren in ein und derselben Maschine abzudecken, macht die Technologie zum Aufbereiten von Trockenelektroden besonders zukunftssicher. Hersteller sind so flexibel, sich an neue Trends anzupassen, ohne in neue Anlagen investieren zu müssen. Dies ist besonders wichtig in einem Markt, der sich so schnell entwickelt wie die Batteriezellen-Produktion, wo Fortschritte in der Materialwissenschaft und Elektrochemie ständig neue Anforderungen an die Produktion stellen.
Die Transformation der Batteriezellenproduktion steht im Spannungsfeld von CO₂-Reduktion, steigenden Energiekosten und wachsender Marktnachfrage – und verlangt nach maximaler Effizienz entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Technologische Innovationen, ein hoher Automatisierungsgrad sowie strategische Partnerschaften sind entscheidend, um diesen Herausforderungen zu begegnen und gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit Europas zu sichern.
Der Mischerhersteller bietet mit der Technologie zum Aufbereiten von Trockenelektroden nicht nur eine nachhaltige und energieeffiziente Alternative zu herkömmlichen nassen Verfahren, sondern auch flexible Lösungen, die sich nahtlos in integrierte Fabrikkonzepte einfügen. Während asiatische Anbieter bereits schlüsselfertige Batteriefabriken mit Standardverfahren liefern, die keinen Wettbewerbsvorsprung gegenüber asiatischen Zellherstellern ermöglichen, setzen deutsche Mittelständler wie Eirich auf Qualität, Anpassungsfähigkeit und Partnerschaften – und verschaffen europäischen Batterieproduzenten damit die nötigen Werkzeuge, um sich im globalen Wettbewerb mit Turn-Key-Lösungen zum Austausch einzelner Fertigungsschritte erfolgreich zu behaupten.
