Eine neue Batterieelektrode für Natrium-Ionen-Batterien entsteht in einer Trockenfertigung, die ohne Lösungsmittel und PFAS-haltige Binder auskommt. Das am Fraunhofer ISE in Freiburg entwickelte Verfahren soll den Energiebedarf und die CO₂-Emissionen der Elektrodenfertigung um rund 50 Prozent senken. Gleichzeitig entfallen mehrere teure Prozessschritte, die heutige Nassbeschichtungsanlagen groß und energiehungrig machen. Entscheidend ist eine freistehende Elektrodenfolie, die direkt auf den Stromableiter laminiert wird.
Im Zentrum der neuen Batterieelektrode steht eine schwarze, biegsame Folie, die auf Walzen verarbeitet und anschließend mit einer leitfähigen Metallfolie verbunden wird. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat die Technik gemeinsam mit dem Anlagenbauer IKA entwickelt. Statt eine flüssige Paste auf Metall aufzutragen und sie danach in langen Öfen zu trocknen, entsteht das Elektrodenmaterial in einem kontinuierlichen Knetprozess. Die Forscher wollen damit einen Teil der Batterieproduktion vereinfachen, der bislang besonders viel Energie, Fläche und Anlagentechnik benötigt.
Natrium-Ionen-Batterien gelten als Alternative für Anwendungen, bei denen günstige und gut verfügbare Rohstoffe wichtiger sind als maximale Energiedichte. Die Technik ist inzwischen weit genug gereift, dass erste Serienfahrzeuge mit Natrium-Ionen-Batterien auf den Markt kommen. Für eine breite Fertigung zählt deshalb nicht nur die Zellchemie, sondern auch die Frage, wie Elektroden schnell, sauber und mit möglichst wenigen Prozessschritten hergestellt werden können.
Bei der heute verbreiteten Nassbeschichtung werden Aktivmaterial, leitfähige Zusätze und Binder zunächst mit einem Lösungsmittel zu einer Paste gemischt. Diese Beschichtungsmasse gelangt auf eine dünne Metallfolie und muss anschließend getrocknet werden, bevor weitere Fertigungsschritte folgen. Trocknungsöfen, Ablufttechnik und gegebenenfalls die Rückgewinnung von Lösungsmitteln machen solche Anlagen groß und energieintensiv. Die neue Trockenroute setzt früher an: Das Pulvergemisch wird mechanisch so verarbeitet, dass daraus unmittelbar eine zusammenhängende Folie entsteht.
Für den kontinuierlichen Knetprozess nutzt das Projekt Know-how aus Maschinen, die bislang unter anderem in der chemischen Industrie eingesetzt werden. Durch Druck und Scherkräfte verbinden sich die Bestandteile zu einer formbaren Masse, ohne dass ein flüssiges Lösungsmittel als Träger nötig ist. Das Material kann danach zu einer gleichmäßigen Bahn ausgewalzt werden. Für eine spätere Fabrik ist genau dieser kontinuierliche Ablauf wichtig, weil er sich eher in eine Rolle-zu-Rolle-Produktion integrieren lässt als ein rein manueller Laborprozess.
Am Fraunhofer ISE entstand mit dem Verfahren bereits eine freistehende Elektrodenfolie, deren Schichtdicke im Versuch gezielt eingestellt werden kann. Der bislang genannte Bereich reicht von 80 bis 180 Mikrometern, technisch sind nach Angaben des Instituts auch dünnere oder dickere Schichten möglich. Diese Einstellbarkeit ist für Batteriehersteller relevant, weil die Elektrodengeometrie Kapazität, Leistungsfähigkeit, Materialeinsatz und die spätere Verarbeitung beeinflusst. Eine stabile Folienbahn muss außerdem mechanisch robust genug sein, damit sie durch Walzen, Führungen und Laminierstationen läuft, ohne zu reißen oder ungleichmäßig zu werden.
Die freistehende Bahn wird anschließend auf den metallischen Stromableiter laminiert. Dabei verzichtet das Verfahren auf einen zusätzlichen Haftvermittler zwischen Elektrode und Leiterfolie. Dieser Schritt wirkt unscheinbar, spart in einer Produktionskette aber Material, Anlagenaufwand und einen weiteren Bearbeitungsvorgang. Zugleich bleibt der grundlegende Aufbau einer Batterieelektrode erhalten: Das aktive Material speichert die Ladung, während die Metallfolie den elektrischen Strom in die Zelle hinein und wieder heraus führt.
Besonders wichtig für die Umweltbilanz ist die Wahl des Binders, der die feinen Partikel der Elektrode mechanisch zusammenhält. Das Projekt identifizierte zwei Polymerklassen, die für den Trockenprozess geeignet sind und ohne PFAS auskommen. Mehrere entsprechende Binder wurden bereits praktisch eingesetzt. PFAS sind eine große Stoffgruppe sehr beständiger fluorierter Chemikalien; gerade ihre hohe Stabilität macht viele Vertreter in Umwelt und Entsorgung problematisch. In Batterieprozessen werden fluorhaltige Polymere unter anderem genutzt, weil sie chemisch widerstandsfähig sind.
Der neue Ansatz versucht diese Funktion mit anderen Polymeren zu erreichen, ohne die Fertigung wieder durch zusätzliche Lösungsmittel komplizierter zu machen. Damit verbindet das Projekt zwei Ziele, die in der Industrie oft getrennt betrachtet werden: weniger problematische Hilfsstoffe und weniger Prozessenergie. Die Forscher beschränken sich dabei nicht auf eine einzelne Laborrezeptur, sondern testen mehrere PFAS-freie Bindersysteme. Das erhöht die Chance, die Materialauswahl später an unterschiedliche Elektrodenchemien und Produktionsbedingungen anzupassen.
Wirtschaftlich liegt der größte Hebel im Weglassen von Arbeitsschritten. Fraunhofer ISE nennt Trocknung, Kalandrierung und das Aufbringen eines Haftvermittlers als Vorgänge, die in der neuen Prozesskette entfallen oder anders gelöst werden. Weniger Maschinen bedeuten nicht nur niedrigere Strom- und Wärmeverbräuche, sondern auch weniger Hallenfläche, Wartung und Schnittstellen zwischen einzelnen Anlagen. Gerade bei neuen Batteriefabriken kann die Prozessarchitektur deshalb ähnlich wichtig werden wie der Preis des aktiven Materials.
Nach der derzeitigen Abschätzung sinken die Investitionskosten einer Produktionslinie mindestens um 15 Prozent. Bei den laufenden Betriebskosten nennt das Institut einen Vorteil von ungefähr 10 bis 20 Prozent gegenüber einer üblichen Nassbeschichtung. Solche Zahlen sind noch keine Bilanz einer voll ausgebauten Serienfabrik, sondern beziehen sich auf die entwickelte Prozessroute und den Vergleich mit heutiger Anlagentechnik. Für kleine und mittlere Unternehmen ist der Ansatz dennoch interessant, weil geringere Einstiegskosten eine eigene Elektrodenfertigung eher erreichbar machen.
Der Fertigungsschritt könnte damit auch für eine europäische Natrium-Ionen-Industrie wichtig werden. Andere Forschungsgruppen arbeiten parallel an neuen Kathodenmaterialien und Zellchemien; ein Beispiel sind leistungsfähigere Natrium-Akkus mit neuen Kathoden. Erst wenn Materialentwicklung und Produktionstechnik zusammenpassen, lässt sich aus einem guten Labormaterial eine Batterie herstellen, die sich millionenfach reproduzierbar fertigen lässt.
Das Verfahren befindet sich noch vor der industriellen Großserie. Im Projekt LAENDLE soll der nächste Entwicklungsschritt deshalb auf die Pouch-Zell-Ebene führen, also auf flache, flexible Batteriezellen, wie sie in Forschung und Industrie häufig für größere Versuche genutzt werden. Dafür muss sich zeigen, ob die trockenen Elektrodenbahnen nicht nur einzeln funktionieren, sondern auch in einer durchgängigen Zellfertigung zuverlässig verarbeitet werden können. Entscheidend sind dabei gleichmäßige Schichtqualität, Haftung, elektrische Eigenschaften und eine reproduzierbare Verarbeitung über größere Flächen.
Ein weiteres Ziel ist ein noch geringerer Binderanteil. Binder stabilisieren die Elektrode mechanisch, speichern selbst aber keine nutzbare elektrische Energie. Je weniger davon nötig ist, desto größer kann der Anteil elektrochemisch aktiven Materials werden, solange die Folie ihre Festigkeit behält. Genau hier liegt eine typische Schwierigkeit bei der Skalierung: Ein Material, das als kleines Muster gut aussieht, muss auf langen Bahnen dieselben Eigenschaften behalten und darf beim Schneiden, Laminieren und Stapeln keine Schwachstellen entwickeln.
Das Vorhaben läuft mit Unterstützung des Wirtschaftsministeriums Baden-Württemberg bis Juni 2027. Bis dahin soll die Technik näher an eine industrielle Produktionslinie rücken und zeigen, wie weit sich der Binderanteil ohne Verlust der Verarbeitbarkeit reduzieren lässt. Gelingt dieser Schritt, wäre die auffällige schwarze Elektrodenbahn nicht nur ein Laborprodukt, sondern ein Baustein für eine kompaktere Fertigung von Natrium-Ionen-Zellen.
Fraunhofer ISE, Resource-Efficient Battery Electrodes Free of PFAS Chemicals
Fraunhofer ISE, LAENDLE – Solvent- and PFAS-Free Battery Electrode Coating Processes from Baden-Württemberg for High-Performance Sodium-Ion Batteries
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