Hochskalierung der Walzstrukturierung in der Elektrodenproduktion für Lithium-Ionen-Batterien

Im Projekt HoWaLIB wird ein Anlagenkonzept zur Hochskalierung der Walzstrukturierung von Elektroden in der Lithium-Ionen-Batterieproduktion zu einem Hoch-Durchsatz-Betrieb entwickelt. Dadurch sollen Produktionskosten gesenkt, Ressourcen geschont und CO₂-Emissionen reduziert werden.

Im Zuge des durch den Klimawandel angetriebenen Technologiewandels rücken Lithium-Ionen-Batterien als zentrale Komponenten für die Speicherung und Bereitstellung von Energie zunehmend in den Fokus. Die Herausforderung besteht darin, Lithium-Ionen-Batterien mit hohen Energiedichten und gleichzeitig hoher Leistungsdichte zu fertigen. Dabei kann durch eine gezielte Modifikation der Elektroden durch das Einbringen definierter Mikrostrukturen eine Leistungssteigerung erzielt werden. Dadurch lassen sich auch größere Schichtdicken realisieren, was eine höhere Energiedichte ermöglicht, ohne die Leistungsdichte nachteilig zu beeinflussen.

Besonders vielversprechend ist hierbei das Walzstrukturieren, bei dem definierte Mikrostrukturen direkt während des Kalandrierprozesses in die Elektroden eingebracht werden. Dadurch entfällt ein zusätzlicher Prozessschritt, Materialabtrag sowie Partikelentstehung werden vermieden, und gleichzeitig ist die Modifikation der Elektrode vergleichbar zu anderen Strukturierungsverfahren, die in einem dedizierten Produktionsschritt umgesetzt werden müssen.

Erste Funktionsnachweise im Labormaßstab wurden im Rahmen des Forschungsprojekts ProfiStruk (Förderkennzeichen: 03XP0244A) erbracht. Dabei konnte gezeigt werden, dass das Walzstrukturieren die Laderatenfähigkeit effektiv erhöht und die Lebensdauer verlängert. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird das Walzstrukturieren im Projekt HoWaLIB (Förderkennzeichen: 03XP0638B) in Richtung der industriellen Anwendung weiterentwickelt. Im Mittelpunkt stehen dabei die Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit sowie die Entwicklung eines Anlagenkonzepts für eine Produktion mit hohem Durchsatz.Dazu werden das Degradations- und das Verschmutzungsverhalten der Strukturwalze systematisch untersucht und geeignete Reinigungs- sowie Wartungsstrategien erarbeitet.

Parallel erfolgt die Erarbeitung von Fertigungskompetenz für geeignete Strukturwalzen, die zur Konstruktion eines Industrie-Strukturkalanders verwendet werden. Die entwickelten Konzepte werden anschließend gemeinsam mit der Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB) in einer industrienahen Umgebung validiert.

Das Projekt wird im Rahmen der Förderrichtlinie Clusters Go Industry gefördert, die darauf abzielt, Forschungsergebnisse aus den nationalen Batterieclustern in Kooperation mit der Industrie in die Anwendung zu überführen und die Batterieforschung in Deutschland langfristig als Schlüsseltechnologie zu stärken. Das Projekt HoWaLIB leistet damit einen wesentlichen Beitrag zur technologischen Souveränität des deutschen Anlagenbaus, indem eine eigenständige Lösung für die Batteriezellproduktion entwickelt wird. Dies stärkt die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie, senkt Produktionskosten, schont Ressourcen und trägt zur Reduktion von CO₂-Emissionen bei.