Goedkope en milieuvriendelijke accuproductie voor elektrisch rijden

By Petra Wiesmayer

Elektrische auto’s zijn goed voor het milieu. Die uitspraak gaat zeker op, als hun elektriciteit niet wordt opgewekt door kolencentrales. Maar hoe zit het met de energieopslag, de accu’s, van deze auto’s? Zowel op het gebied van productie, prestatie als duurzaamheid, is er nog steeds veel winst te behalen. Onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Materiaal- en Beamtechnologie IWS in Dresden hebben nu een manier gevonden om deze zwakke plekken van elektrisch rijden aan te pakken.

Tot nu toe kochten de grote autofabrikanten om verschillende redenen accucellen in Azië. Aziatische technologiebedrijven hebben namelijk tientallen jaren ervaring in de massaproductie van accucellen, en bij de productie wordt veel energie verbruikt. En dit is in Duitsland erg duur.

Om dit in de toekomst te voorkomen, hebben de ingenieurs van Dresden een beter en bovendien goedkoper productieproces ontwikkeld dat energiekosten bespaart en ook giftige oplosmiddelen overbodig maakt in de volgende processtap: ze voorzien de elektroden van de accucellen van een droge coating, in plaats van vloeibare chemische stoffen.

“Ons procedé voor droogcoating is erop gericht om de proceskosten voor elektrodecoating aanzienlijk te verlagen,” aldus Dr. Benjamin Schumm, projectmanager bij het Fraunhofer IWS. “Dit stelt fabrikanten in staat om af te zien van giftige en dure oplosmiddelen en energiekosten te besparen tijdens het drogen. Daarnaast maakt onze technologie het ook mogelijk om elektrodematerialen te gebruiken die niet of nauwelijks nat-chemisch verwerkt kunnen worden.”

Voor toekomstige accu’s met een hogere energiedichtheid zijn juist deze materialen nodig. “Om al deze redenen zijn wij ervan overtuigd dat onze technologie kan bijdragen aan een internationaal concurrerende accucelproductie in Duitsland en Europa.”

Steun ons!

Einde van de klassieke natte chemie?

Voorheen werden accu-elektroden tijdens de celproductie meestal gecoat volgens een complex nat-chemisch proces. De actieve materialen, die later de opgeslagen energie vrijgeven, worden daarbij eerst tot een pasta gemengd samen met speciale toevoegingen. Aangezien niet alleen dure maar ook giftige oplosmiddelen worden toegevoegd, is het noodzakelijk dure voorzorgsmaatregelen te nemen op het gebied van arbeidsveiligheid en herbewerking. Op die manier moeten fabrieksarbeiders en het milieu worden beschermd. Nadat de pasta is aangebracht op dunne metaalfolies, volgt een droogproces dat zeer veel elektriciteit verbruikt. Tientallen meters aan verwarmingselementen zijn nodig om de gecoate folies te drogen voordat ze verder verwerkt kunnen worden.

Deze milieubelastende en dure procedés komen bij droogcoating niet meer voor, omdat het actieve materiaal wordt gemengd met bindende polymeren. Dit droge mengsel wordt door rollen verwerkt tot een elektrodefilm van ongeveer 100 micrometer dik. De film wordt vervolgens op een aluminiumfolie aangebracht om de accu-elektrode te vormen.

“Op deze manier kunnen we ook materialen ontwikkelen voor nieuwe accugeneraties waarin klassieke processen niet werken,” meent Benjamin Schumm van Fraunhofer. Het gaat hierbij bijvoorbeeld om apparaten voor energieopslag die zowel zwavel als actief materiaal gebruiken, of om zogenaamde vaste-stofaccu’s die ion-geleidende vaste stoffen gebruiken in plaats van ontvlambare vloeibare elektrolyten.

“Deze accu’s zullen meer energie kunnen opslaan in hetzelfde volume als de huidige lithium-ion-accu’s,” zegt de Fraunhofer IWS-wetenschapper. “Echter, deze vaste elektrolyten kunnen bij contact met oplosmiddelen uitvallen. Een oplosmiddelvrij coatingproces is daarom veel geschikter voor de productie van deze opslageenheden.”

Naar eigen zeggen hebben de onderzoekers uit Dresden al een mijlpaal bereikt in de productie van vaste-stofaccu’s: ze hebben het mogelijk gemaakt “elektroden met een extreem laag bindmiddelgehalte te produceren door middel van droogcoating”.

Proeffabriek in Finland

Samen met industriële partners willen de wetenschappers nu de procedés perfectioneren en op die manier meehelpen aan een doorbraak. In het “DryProTex”-project, gefinancierd door het Duitse Ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF), ontwikkelen zij gezamenlijk het droogcoatingproces voor elektroden. In dit project wordt gewerkt aan ontwikkelingen op het gebied van materialen, processen en installaties, die een procedé voor de droge productie van elektroden op industriële schaal mogelijk zullen maken. “Het proces kan op lange termijn de conventionele processen voor de productie van elektroden vervangen door op pasta gebaseerde processen,” meent Schumm.

De droge productie van elektroden is al begonnen in een proeffabriek in Espoo, Finland. “De vraag naar onze technologie is groot,” meldt Schumm. In het laboratorium kunnen elektroden al met enkele meters per minuut doorlopend gecoat worden. Dit laat zien dat het mogelijk is om op te schalen naar grootschalige productie.

Op 18 en 19 november 2019 zal het Fraunhofer IWS (ter informatie over “Batterie der Zukunft”) “Carbon Electrode Materials” en “Lithium-Metal-Anodes: Processing and Integration in Next-Generation Batteries” in Dresden ontvangen.