Onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Materiaal- en Beamtechnologie IWS in Dresden hebben een nieuw productieproces ontwikkeld voor een efficiënte en milieuvriendelijke batterijproductie. Ze bedekken de elektroden van de energieopslagcellen met een droge film in plaats van vloeibare chemicaliën. Dit vereenvoudigde proces bespaart energie en elimineert giftige oplosmiddelen. Een Fins bedrijf – BroadBit Batteries– test momenteel de nieuwe IWS-technologie in de praktijk.

Er is steeds meer vraag naar betere en kostenefficiëntere productiemethoden voor energieopslag, vooral in Duitsland: alle grote autofabrikanten hebben ambitieuze programma’s voor elektrische voertuigen gelanceerd die een sterke stijging van de vraag naar batterijen zullen opleveren. Tot nu toe kopen Duitse bedrijven de cellen voor dit doel in Azië. Daar zijn twee belangrijke redenen voor: Aziatische technologiegroepen hebben jarenlange ervaring in de massaproductie van batterijcellen en er wordt veel energie verbruikt in deze processen. De productie op locaties met hoge elektriciteitsprijzen, zoals in Duitsland, is daarom zeer duur.

Dat is precies wat de Dresdense ingenieurs willen veranderen: “Ons dry transfer coating process heeft tot doel de proceskosten bij het coaten van elektroden aanzienlijk te verlagen”, benadrukt IWS-projectmanager Benjamin Schumm. “Fabrikanten kunnen giftige en dure oplosmiddelen uitbannen en energiekosten besparen tijdens het drogen. Daarnaast vergemakkelijkt onze technologie ook het gebruik van elektrodematerialen die moeilijk of zelfs onmogelijk nat-chemisch te verwerken zijn.” Maar precies deze materialen zijn nodig voor toekomstige accu’s met een hogere energiedichtheid. “Om al deze redenen denken wij dat onze technologie kan bijdragen aan een internationaal concurrerende accucelproductie in Europa.”

Een proeffabriek in Finland

Dit wordt ook door de Scandinavische partners van het project gezien: het Finse batterijbedrijf ‘BroadBit Batteries’ heeft in Espoo een proeffabriek in gebruik genomen, die elektroden bedekt met droog elektrodemateriaal in plaats van vochtige pasta’s, zoals tot nu toe gebruikelijk was in de industrie. BroadBit gebruikt het voor de productie van nieuwe soorten natrium-ionbatterijen. “De vraag naar onze technologie is groot”, meldt Benjamin Schumm. Op laboratoriumschaal kan IWS nu al elektrodefolie coaten met een productiesnelheid van enkele meters per minuut.

Spinnenweb

De nieuwe filmtransfertechnologie voor droge elektrodecoating werkt zonder de gebruikelijke ecologisch schadelijke en dure processtappen: de IWS-ingenieurs mengen hun actieve materiaal met bindende polymeren. Zij verwerken dit droge mengsel in een walserij die bekend staat als ‘kalander’. De schuifkrachten in dit systeem scheuren hele moleculaire ketens uit de bindmiddelpolymeren. Deze ‘fibrillen’ verbinden zich met de elektrodedeeltjes als in een spinnenweb. Dit geeft het elektrodemateriaal stabiliteit. Het resultaat is een flexibele droge laag elektrodemateriaal. In de volgende stap wordt de 100-micrometer dikke film direct door de kalander gelamineerd op een aluminiumfolie, waardoor de batterij-elektrode ontstaat.

“Op deze manier zijn we ook in staat om materialen te verwerken voor nieuwe batterijgeneraties waar klassieke processen falen”, zegt Benjamin Schumm. Het gaat bijvoorbeeld om energieopslagsystemen die zwavel als actief materiaal gebruiken of om solid-state accu’s die gebruik maken van iongeleidende vaste stoffen in plaats van ontvlambare vloeibare elektrolyten. “Deze accu’s zijn in staat om meer energie op te slaan in hetzelfde volume dan de huidige lithium-ionbatterijen.”