Mit einer neuen wasserbasierten Produktionsmethode könnten LFP-Batterien deutlich energiesparender und umweltfreundlicher hergestellt werden. Denn: Statt giftiger Lösungsmittel kommt ein spezielles Wassergemisch zum Einsatz.
Lithium-Ionen-Batterien bilden das Rückgrat der Elektromobilität, belasten jedoch durch giftige Stoffe die Umwelt. Standardbinder wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) benötigen für die Elektrodenfertigung herkömmlicherweise das giftige Lösungsmittel N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP). Forscher des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA entwickelten nun eine nachhaltige Lösung auf Wasserbasis.
Studienautorin Leah Jalowy und ihr Kollege Dominik Nemec setzen auf den biobasierten Binder Carboxymethylcellulose (CMC). In enger Kooperation mit dem japanischen Maschinenhersteller Sugino optimierten sie die Produktionsprozesse für Lithium-Eisenphosphat-Kathoden (LFP). Seine wissenschaftlichen Erkenntnisse veröffentlichte das Team in der Fachzeitschrift Applied Chem.
LFP-Kathoden: Neue Batterie setzt auf Wasser-Lösemittel
Das Team untersuchte systematisch zwei industriell relevante Verfahren zur Mischung der Elektrodenpaste, auch Slurry genannt. Während beim Dissolver-Mischen eine gezahnte Scheibe in der Paste rotiert, nutzt das Wet Jet Milling extremen Hochdruck. Die Anlage presst das Material mit bis zu 2.200 Bar durch präzise Mikrodüsen.
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Diese Methode reduziert die mittlere Partikelgröße der Materialien um 39 Prozent. Das Wet Jet Milling senkt zudem die Viskosität bei niedrigen Scherraten um 96 Prozent, bei mittleren um 80 Prozent und bei hohen Raten um 64 Prozent. Diese physikalische Optimierung verbessert das Fließverhalten und ermöglicht einen höheren Feststoffgehalt in der Paste.
Verbesserte Performance und Energiebilanz
Hochauflösende Aufnahmen unter dem Elektronenmikroskop belegen, dass die so hergestellten Elektroden homogener und dichter gepackt sind. Eine glattere Grenzfläche zum Stromkollektor lässt einen besseren Stromfluss und eine höhere mechanische Stabilität erwarten. Die Forscher führen diese Qualität auf die effiziente Zerkleinerung der Partikel zurück.
Bei einer nominalen Laderate von 1,0 C, was einer vollen Ladung innerhalb einer Stunde entspricht, stieg die Kapazität deutlich an. Die mit Hochdruck hergestellte Variante erreichte 83,8 Milliamperestunden pro Gramm gegenüber 73,1 bei der Standard-Methode. Diese Steigerung um 12,8 Prozent resultiert aus der größeren aktiven Oberfläche der kleineren Partikel.
Nachhaltige Produktion spart 42 Prozent Energie
Die Kombination aus Wet Jet Milling und Dissolver-Mischen benötigt lediglich 0,98 Kilowattstunden pro Kilogramm Paste. Im Vergleich dazu verbraucht das reine Dissolver-Verfahren mit 1,70 Kilowattstunden pro Kilogramm deutlich mehr Prozessenergie. Zusammen mit der gesparten Trocknungsenergie erreicht das neue Verfahren eine Gesamtersparnis von 42 Prozent.
LFP-Kathoden gelten als sichere und kostengünstigere Alternative zu nickelbasierten Systemen, da sie ohne kritische Rohstoffe wie Kobalt oder Nickel auskommen. In der Praxis bedeutet das thermisch stabilere Batterien mit langer Lebensdauer für Elektroantriebe oder industrielle Speicherlösungen. Jalowy und Nemec betonen, dass die Vorteile des Verfahrens bei einer industriellen Skalierung laut der Studie noch deutlicher ausfallen könnten.
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