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Fördermaßnahme: M-era.Net II Call 2017 - Additive Fertigung / Intelligente Textilien - Produktionsforschung
Forschungsziel: DryProTex verfolgte das Ziel, eine zukunftsgewandte, kostengünstige und skalierfähige Pulver-zu-Rolle-Technologie zur Batterieelektrodenherstellung als Alternative zu etablierten lösungsmittelbasierten Beschichtungsprozessen zu entwickeln. Grundlage dafür war die Trockenbeschichtungstechnologie des Fraunhofer IWS „DRYtraec®“, welche im Vorhaben durch innovative Entwicklungen entlang der Wertschöpfungskette in ihrer technologischen Reife (TRL) angehoben werden sollte. Dabei konnten Materialinnovationen durch IWS und Broad Bit Batteries im Bereich von Lithium-Schwefel-Batterien und Natrium-Salz-Batterien einfließen. NETZSCH Trockenmahltechnik und IWS haben die Vorbehandlung des für Trockengemisches in einem effizienten Prozess abbilden können. Die Partner SAUERESSIG und INDEV realisierten das anlagentechnische Konzept des IWS-Trockenbeschichtungsprozesses in Form einer Prototypanlage zur kontinuierlichen Elektrodenproduktion. Die Eignung der Methode für aktuelle und künftige Batteriechemien wurde vom IWS und den finnischen Partnern durch Verwendung der erzeugten Elektroden in Prototypzellen nachgewiesen. Das große Potential bei der Verwertung der Projektergebnisse liegt im signifikanten Einsparpotential bei Energiekosten und Anlagenfootprint für eine effizientere und grünere Batterieproduktion. Die direkte Vermarktung in Batteriezellen wird durch die finnischen Partner realisiert. Für die deutschen Partner ist eine Verwertung der Prozess- und Anlagentechnik für die Herstellung im Bereich der zukünftigen Batterietechnologien möglich. Das Verfahren kann darüber hinaus zur Erzeugung von intelligenten Textilien (smart textiles) für Sensor- oder Filteranwendungen eingesetzt werden. Durch die Kombination von Verfahrensentwicklung mit den Anforderungen innovativer Batteriekomponenten kann ein Wissensvorsprung für europäische Anlagenbauer, Material- und Zellhersteller erzeugt werden, um zukünftig stärker an den weiter steigenden Absatzzahlen des Batteriemarktes zu partizipieren.
Dr. Benjamin Schumm +49 351 83391-3714
benjamin.schumm@iws.fraunhofer.de
Katrin Schlimm, M.Sc.
+49 721 608-25293
katrin.schlimm@kit.edu
Problemdarstellung
Durch die Herausforderungen der Elektromobilität besteht ein Bedarf an einer erhöhten Leistungsfähigkeit und kostengünstigen Herstellbarkeit von mobilen Energiespeichern. Bisher dominieren asiatische Anbieter den weltweiten Batteriezellenmarkt mit der Lithium-Ionen-Technologie. Europa bereitet unterdessen den nächsten Innovationssprung vor: Neue Batteriezellenchemie in Kombination mit einem innovativen Herstellungsverfahren der Elektroden. Das Ergebnis könnte alle bisherigen Maßstäbe, besonders die der maximal möglichen Energiedichte, übertreffen. Großes Entwicklungspotenzial besteht in trockenen Herstellungsverfahren, da der aufwändigste Prozessschritt des Trocknens bei nasschemischen Verfahren entfällt. Industriell ist dieses Verfahren jedoch bislang nicht verfügbar.
Projektziel
Hier setzte das Projekt DryProTex mit Innovationen in den Bereichen Werkstoff, Prozesstechnologie und Anlagenbau an. Es verfolgte das Ziel, eine zukunftsgewandte, kostengünstige und skalierfähige Pulver-zu-Rolle-Technologie auf Textilbasis als Alternative zu etablierten lösungsmittelbasierten Beschichtungsprozessen zu entwickeln.
Vorgehensweise
Im Vordergrund stand ein vielseitig einsetzbares Verfahren zur lösemittel- und wasserfreien Herstellung der Batterieelektroden mittels heiß gepresstem, textilähnlichem Elektrodenfilm. Im ersten Schritt wurden leistungsfähige Binder und leitfähige Aktivmaterialien für die Pulvermischung entwickelt und deren direkter Einfluss auf die Prozessentwicklung zur Herstellung textiler Elektroden untersucht. Die dabei gewonnenen Kenntnisse flossen in die Konzeptionierung der Anlagentechnik ein. Die Vielseitigkeit des Verfahrens wurde anhand von drei zukunftsweisenden Batterietechnologien auf Basis von Lithium-Schwefel, Natrium und schließlich Mangandioxid erprobt.
Ergebnisse und Anwendungspotenzial
DryProTex hat gezeigt, dass die Trockenbeschichtungstechnologie in eine skalierfähige Anlagentechnik überführbar ist. Es ist eine Prototypanlage mit Monitoringsystemen entwickelt und installiert worden, die die Herstellung von Kathoden für Lithium-Schwefel-Zellen auf Technology-Readiness-Level sechs erlaubt. Zudem konnte der Prozess zur skalierfähigen Trockengemischvorbehandlung auf einer Technikumsanlage abgebildet werden. Das entstandene Material konnte mit Hilfe der Prototypanlage in Elektroden verarbeitet werden. In Pouchzellen wurde die Eignung des Materials nachgewiesen.
Das Projekt hat das große Potential des Konsortiums hervorragend ausnutzen können, sodass eine Prozesskette zur skalierfähigen Trockenbeschichtung von Batteriematerialien realisiert werden konnte. Damit hat das Projekt wichtige Entwicklungen ermöglicht, die in den aktuellen Bestrebungen zur Effizienzsteigerung bei der Batterieproduktion direkt Einfluss finden könnten. Durch die Kombination von Verfahrensentwicklung mit den Anforderungen innovativer Batteriekomponenten kann ein Wissensvorsprung für europäische Anlagenbauer, Material- und Zellhersteller erzeugt werden, um zukünftig stärker an den weiter steigenden Absatzzahlen des Batteriemarktes zu partizipieren. Somit kann für alle Partner von einem hohen Verwertungspotential ausgegangen werden.
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