Trockenelektrodenverfahren: Der Schlüssel zur Massenproduktion von Hochleistungs-Festkörperbatterien

Bei Festkörperbatterien wird der flüssige Elektrolyt durch eine Festkörperelektrolytmembran ersetzt. Daher erfordert der Produktionsprozess neben den herkömmlichen positiven und negativen Elektrodenfolien auch die Herstellung dieses Festkörperelektrolytfilms. Dieser Prozess ist ein entscheidender Schritt im Batterieherstellungsprozess und bestimmt direkt die Leistung und Qualität der fertigen Zelle. Während derzeit noch Nassverfahren in der Festkörperbatterieproduktion dominieren, setzt sich das Trockenverfahren dank seiner Vorteile hinsichtlich Kosten, Prozesseffizienz und Materialverträglichkeit zunehmend als Standard für die Festkörperbatterietechnologie der nächsten Generation durch.

01. Wichtige Verbesserungen in der Vorformungsproduktion von Festkörperbatterien

Der Herstellungsprozess von Festkörperbatterien unterscheidet sich grundlegend von dem herkömmlicher Flüssigbatterien. Die Herstellung der Oberflächenfilme ist die entscheidende Übergangsphase im Batterieherstellungsprozess. Diese Phase bestimmt direkt die Energiedichte, die Leistungsfähigkeit und die Zyklenlebensdauer der fertigen Zelle. Bei Festkörperbatterien ersetzt die Festkörperelektrolytmembran den flüssigen Elektrolyten. Daher muss die Oberflächenvorbereitung neben den herkömmlichen positiven und negativen Elektrodenfolien auch den Festkörperelektrolytfilm umfassen. Diese grundlegende Änderung bringt neue Herausforderungen mit sich und bietet gleichzeitig Möglichkeiten zur Prozessoptimierung.

02. Technologische Transformation: Der Sprung vom Nass- zum Trockenverfahren

Die gängigen Herstellungsverfahren für Festkörperbatterien lassen sich im Wesentlichen in zwei technische Verfahren unterteilen: Nass- und Trockenverfahren. Das Nassverfahren basiert weiterhin auf dem Lösungsmittelsystem herkömmlicher Flüssigbatterien. Dabei werden Elektroden- oder Elektrolytmaterialien mit einem Bindemittel zu einer Suspension vermischt, aufgetragen und anschließend getrocknet, um die Filmbildung abzuschließen.

Dieses Verfahren ist zwar relativ ausgereift, hat aber inhärente Nachteile: Es erfordert den Einsatz großer Mengen toxischer organischer Lösungsmittel (wie z. B. NMP), bedingt energieintensive Schritte zur Trocknung und Lösungsmittelrückgewinnung und schränkt die Anwendung bestimmter hochmoderner, lösungsmittelempfindlicher Materialien ein.

Im Gegensatz dazu revolutioniert das Trockenverfahren die Elektrodenherstellung durch den Verzicht auf Lösungsmittel und den anschließenden Trocknungsschritt. Es setzt verstärkt auf Hochleistungs-Trockenmisch- und Fibrillierungsanlagen, um eine gleichmäßige Materialdispersion und Vorformung zu erreichen. Anschließend erfolgt die Filmbildung direkt durch Mehrwalzenpressen.

Die zentralen Vorteile der Trockenfilmbildungstechnologie zeigen sich in drei Dimensionen:

• Kosteneffizienz: Durch den Wegfall der Beschichtungs-, Trocknungs- und Lösungsmittelrückgewinnungsphasen sind die Investitionskosten für die Ausrüstung niedriger, der Energieverbrauch wird reduziert und die gesamten Zellherstellungskosten können um etwa 18 % gesenkt werden.

• Leistungssteigerung: Das Trockenverfahren erhöht effektiv die Verdichtungsdichte des Aktivmaterials, was zu einer Steigerung der Energiedichte um etwa 20 % führt. Die in das MG4-Modell der SAIC Group integrierte Festkörperbatterie erreicht eine Systemenergiedichte von 400 Wh/kg und ermöglicht eine Schnellladung in 12 Minuten für eine Reichweite von 400 km.

• Umweltverträglichkeit und Materialverträglichkeit: Das Trockenverfahren macht giftige Lösungsmittel überflüssig und löst somit die Umweltprobleme des herkömmlichen Nassverfahrens. Gleichzeitig ermöglicht es den Einsatz kostengünstigerer Materialien (wie beispielsweise Mangan-basierte Kathoden).

03. Technologiematrix: Vielfältige Wege zur Trockenfilmbildung

Die Trockenfilmbildung ist kein einheitlicher Prozess, sondern ein komplexes Gefüge verschiedener technischer Verfahren. Die derzeit gängigsten Technologien zur Herstellung von Trockenelektroden lassen sich im Wesentlichen in sechs Typen einteilen:

• Flimmermethode: Durch die Anwendung hoher Scherkräfte wird das Bindemittel fibrilliert, wodurch es aktive Materialien und leitfähige Substanzen fest einkapselt und einen selbsttragenden Elektrodenfilm bildet. Dieser Prozess erfordert von der Anlage extrem hohe Scherkräfte und präzise Temperaturregelung.

• Trockensprühbeschichtung: Dabei wird geladenes Pulver verwendet, das unter einem elektrischen Feld gleichmäßig auf den Stromkollektor aufgetragen und anschließend heiß gepresst wird, um das Bindemittel zu schmelzen und zu fixieren. So entsteht ein selbsttragender Film.

• Andere Methoden: Je nach Materialeigenschaften und Anwendungsszenario werden Dampfabscheidung, Heißschmelzextrusion, Direktpressen und 3D-Druck eingesetzt.

Diese verschiedenen Verfahren unterscheiden sich hinsichtlich ihrer technischen Prinzipien, der anwendbaren Materialien, der Filmbildungsfähigkeit und der Komplexität der Ausrüstung und eignen sich für verschiedene Anwendungen wie großflächige, flexible Elektroden, kleine Geräte und dicke Elektrodenfolien.

Vergleich der wichtigsten technischen Verfahren zur Trockenfilmbildung

Die Branche betrachtet die Binder-Fibrillationsmethode im Allgemeinen als überlegen in Bezug auf Leistung, Stabilität und Verarbeitbarkeit und positioniert sie damit als den aufkommenden Standardweg.

04. Herausforderungen der Industrialisierung: Die Lücke zwischen Labor und Massenproduktion schließen

Trotz der deutlichen Vorteile der Trockenfilmbildung ist die Übertragung des Verfahrens vom Labormaßstab auf die Massenproduktion mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Kapazität und Effizienz sind dabei von zentraler Bedeutung. Die Kapazität und Geschwindigkeit der Trockenbeschichtung hinken herkömmlichen Nassbeschichtungsverfahren noch hinterher, und die Gleichmäßigkeit und Haftung beim großformatigen Spritzen bedürfen erheblicher Verbesserungen.

Die Gleichmäßigkeit der Beschichtung und die Qualitätskontrolle stellen eine weitere große Herausforderung dar. Ungleichmäßige Trockenbeschichtungen der Elektroden können „Hot Spots“ innerhalb der Elektrode erzeugen, was zu einer beschleunigten Verschlechterung der Batterieleistung und potenziellen Sicherheitsrisiken führt.

Die Kompatibilität von Bindemittel und Material bedarf weiterer Optimierung. Eine gleichmäßige Verteilung der PTFE-Fibrillen im Gemisch bei gleichzeitiger Vermeidung von Schäden an den Aktivmaterialpartikeln ist essenziell. Darüber hinaus ist PTFE bei niedrigen Potenzialen instabil und reagiert irreversibel mit Lithium, was seine Anwendung in negativen Elektroden einschränkt.

Die Herausforderungen an die Anlagen sind ebenso groß. Das Trockenverfahren stellt höhere Anforderungen an die Walzenpressen. Die Leistungsfähigkeit und Produktionseffizienz der Kalandermaschine als Kernanlage sind entscheidend für die Eignung des Trockenverfahrens zur Massenproduktion.

TOB NEUE ENERGIE arbeitet aktiv daran, diese Herausforderungen zu bewältigen, mit dem Ziel, den Bindemittelgehalt in der negativen Elektrode auf 0,7 % und in der positiven Elektrode auf unter 1,5 % zu senken, um eine effizientere und kostengünstigere Filmbildung zu erreichen.

05. Geräteinnovation: Die entscheidende Kraft für die Implementierung von Trockenverfahren

Die Ausrüstung ist typischerweise der Motor der Industrialisierung von Festkörperbatterien. Im Bereich der Trockenfilmbildung ist die Geräteinnovation der entscheidende Faktor für die technologische Umsetzung.

• Front-End-Prozessausrüstung: Sie macht etwa 32 % des Wertes der gesamten Produktionslinie aus, einschließlich der Kernausrüstung für hocheffizientes Mischen, Materialdispersion, Beschichtung und Hochscherbehandlung.

• Anlagen zur Prozessoptimierung im mittleren und unteren Bereich: Sie macht etwa 45 % des Linienwerts aus und konzentriert sich auf eine hocheffiziente Stapelmaschine (25 % des Linienwerts) und horizontale isostatische Pressen (13 % des Linienwerts), die den gesamten Prozess von der Formgebung bis zur Verdichtung abdecken.

• Anlagen zur Nachbearbeitung von Prozessschritten: Sie machen etwa 23 % des Wertes der Produktlinie aus und umfassen umfassende Trockenpulverprüfgeräte sowie horizontale Hochtemperatur-Vorrichtungslösungen für in Festkörperbatterien integrierte Gehäuse, die eine Hochspannungsformation sowie Kapazitätsklassifizierung und Montage ermöglichen.

06. TOB NEW ENERGY: Umfassende Lösungen vom Labor bis zur Massenproduktion

Die Industrialisierungschancen und -herausforderungen der Trockenfilmbildungstechnologie werden erörtert. TOB NEUE ENERGIE nutzt jahrelange technische Erfahrung in der Batterieherstellung, um Kunden eine Komplettlösung anzubieten, die vom Labor bis zur Massenproduktion reicht.

Lösungen für Trockenelektrodenanlagen im Labormaßstab

Wir bieten ein komplettes Sortiment an kundenspezifischen Geräten und Dienstleistungen für Trockenelektroden-Experimentieranlagen. Unsere entwickelten Laborstrahlmühle Es vereint Miniaturisierung, Intelligenz und hohe Präzision und eignet sich für die Herstellung von Pulvern in experimenteller Qualität, die für die Fibrillierung von Trockenelektrodenmaterialien für Lithiumbatterien benötigt werden. Labor-Trockenelektrodenfilm-Bildungsmaschine Es handelt sich um ein Laborgerät zur Erforschung von Trockenelektroden, das für den Prozess der Pulver-zu-Film-Umwandlung verwendet werden kann.

Lösungen für die Pilotproduktion

Wir bieten an Trockenelektrodenfilmformungsmaschinen Diese Anlagen unterstützen verschiedene Produktionslinienanforderungen, darunter auch Ausrüstung für die Massenproduktion im GWh-Bereich. Durch präzise Spannungsregelung und Dickenanpassung können wir trockene Elektrodenfolien mit einer Dicke von nur 27 μm oder sogar weniger herstellen.

Lösungen für die industrielle Massenproduktion

Für die industrielle Massenproduktion bieten wir Komplettlösungen für die Herstellung von Trockenelektroden. Unser System umfasst alle Prozesse, von der kontrollierten Zuführung über die Filmbildung und -verdünnung bis hin zur Stromkollektor-Compoundierung und Qualitätskontrolle. Die Produktbreite kann bis zu 1000 mm betragen, die Dicke liegt zwischen 40 und 300 µm. Das System ist mit 2 bis 6 parallel betriebenen Trockenelektrodenfolien für eine hocheffiziente Produktion kompatibel.

Unser technisches Team versteht jeden Aspekt des Trockenfilmbildungsprozesses genau und kann maßgeschneiderte Prozessoptimierungslösungen anbieten, die auf den spezifischen Materialsystemen des Kunden (wie Graphit/Siliziumkohlenstoff-Negativelektroden, ternäre/LFP-Positivelektroden und verschiedene Festkörper-Elektrodenmaterialien) und den Ausrüstungsanforderungen basieren. Im Bereich der Materialien unterstützen wir unsere Kunden mit hochmodernen Batteriematerialien, darunter spezielle Bindemittel und modifizierte Leitfähigkeitsmittel, die für das Trockenverfahren geeignet sind und eine optimale Kompatibilität zwischen Materialien und Prozess gewährleisten.