Hochskalierung von Elektroden für Batterien der nächsten Generation
Um die Elektromobilität in Europa voranzubringen, entwickelt das EU-finanzierte Projekt IntelLiGent(öffnet in neuem Fenster) nachhaltige Hochspannungs-Lithium-Ionen-Batterien mit höherer Energiedichte, kürzeren Ladezeiten und längerer Lebensdauer. Gegenwärtig hat das Projekt einen wichtigen Meilenstein in den Bemühungen erreicht, die Produktion der neuen Batteriezellentechnologie zu steigern: Es ist gelungen, hochbelastbare Elektrodenrollen ohne giftige Lösungsmittel herzustellen. Wie in einem vom IntelLiGent-Projektkoordinator SINTEF (Norwegen) veröffentlichten Artikel(öffnet in neuem Fenster) berichtet wird, behindert die Herstellung von Batterieelektroden das Hochfahren der Batteriezellenproduktion. Genau dies ist jedoch wichtig, damit sich die europäische Industrie selbst mit Batterien versorgen kann. Die im Rahmen von IntelLiGent entwickelten Elektrodenschichten bestehen aus Lithium-Nickel-Manganoxid-Kathoden und Silizium-Graphit-Anoden. Dem in das Projekt einbezogene SINTEF-Forschungsteam ist es nun gelungen, die Produktion dieser Elektrodenschichten auf über 100 Meter lange Rollen mit beidseitigen Elektrodenbeschichtungen und mit einer Dickengenauigkeit von bis zu einem Tausendstel Millimeter zu skalieren. Im Sinne der Nachhaltigkeit wurden sowohl die Anode als auch die Kathode ohne den Einsatz von N-Methyl-2-pyrrolidon – einem gefährlichen, in der Batterieindustrie häufig verwendeten Lösungsmittel – hergestellt. Stattdessen verwendete das Projektteam wässrige Bindemittel für eine nachhaltigere Herstellung der hochbelastbaren Elektroden. Diese Elektrodenrollen werden in kleinere Folienblätter geschnitten und zu mehrschichtigen Pouch-Zellen für elektrochemische Tests zusammengesetzt. Einige Zellen werden einzeln getestet, andere in ein größeres Batteriemodul zusammengefügt. „Dies ist ein großer Erfolg für unsere Gruppe“, kommentiert der Projektleiter Nils Peter Wagner, leitender Wissenschaftler bei SINTEF. „Wir demonstrieren eines der ersten europäischen Beispiele für die Hochskalierung einer mit Wasser verarbeiteten Lithium-Nickel-Manganoxid-Kathode mit hoher Beladung und zugleich auch eine der ersten hochskalierten Elektrodenproduktionen in Norwegen. Wir hoffen, dass dies eine dringend benötigte Initialzündung für die Batterieforschung in Norwegen sein kann, um die industrielle Zellfertigung vor Ort voranzutreiben.“
Es braucht ein Dorf
Zu diesem Erfolg haben verschiedene IntelLiGent-Projektpartner beigetragen. Das dänische Unternehmen Topsoe lieferte das Lithium-Nickel-Manganoxid-Material für die Kathoden, während der norwegische Hersteller Vianode das Anodenmaterial aus Silizium-Graphit bereitstellte. Die Polymergruppe von SINTEF half mit neuartigen Bindemittellösungen für beide Elektrodenschlämme, und das Austrian Institute of Technology unterstützte die Maßstabsvergrößerung dieser verschiedenen Elektrodenchemikalien. Als Nächstes wird Millor Energy Solutions in Spanien aus den Zellen, die aus diesen Elektroden zusammengesetzt werden, ein Batteriemodul herstellen – ein wichtiger Schritt, um das Potenzial der Technologie zu demonstrieren. „Die Hochskalierung von Batterieelektroden ist nicht einfach, und insbesondere die wasserbasierte Verarbeitung bei hohen Beladungen erweist sich als äußerst anspruchsvoll“, so Wagner. „Dies ist ein wichtiger Meilenstein für das Projekt, da sich die Qualität der Elektroden unmittelbar auf die Qualität der Batteriezellen auswirkt, die in den kommenden Monaten zusammengesetzt werden sollen.“ Um die Entwicklung leistungsfähigerer Batterien in Europa weiter voranzutreiben, wurden im Rahmen des Projekts IntelLiGent (Innovative and Sustainable High Voltage Li-Ion Cells for Next Generation (EV) Batteries) zwei digitale Werkzeuge entwickelt. Sie sollen helfen, das Batteriedesign zu optimieren und die Speicherung und Analyse von Batterieforschungsdaten zu rationalisieren. Das erste Werkzeug, PyBOP(öffnet in neuem Fenster), ist ein Modellierungspaket, das Methoden zur Schätzung und Optimierung von Batteriemodellparametern bietet. Beim zweiten handelt es ich um IntelLiGent Battery Knowledge Navigator(öffnet in neuem Fenster), eine fortschrittliche Plattform für die Verwaltung und Analyse von Batteriedaten. Weitere Informationen: IntelLiGent-Projektwebsite(öffnet in neuem Fenster)
