Wässriges Prozessieren von Kathodenmaterial

Lithium-Ionen-Batterien gehören aufgrund ihrer hohen Energiedichte zu den meistverbreiteten Speichermedien, wenn es um portable elektronische Geräte, E-Mobile oder stationäre Energiespeicher geht. Die fortschreitende wirtschaftliche Bedeutung geht einher mit einem stetig steigenden Produktionsbedarf, bei dem zunehmend eine nachhaltige Herstellung der Batterien und Elektroden in den Fokus rückt.

Stand der Technik

Ein Ansatz in der Elektrodenfertigung ist der Verzicht auf teure, toxische organische Lösungsmittel, wie N-Methylpyrrolidon (NMP), indem stattdessen Wasser als Dispersionsmedium genutzt wird. Diese umweltfreundliche Methode funktioniert bereits bei Anoden, Versuche bei der Kathodenfertigung sind allerdings bisher an der damit einhergehenden Verschlechterung der Batterieleistung gescheitert. Der Grund: Das enthaltene Lithium wird aus der Kathode herausgelöst und der pH-Wert steigt drastisch an, was letztlich zur Korrosion des Stromabnehmers führt.

Technologie

Mit einem neuen Verfahren haben Wissenschaftler des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) des KIT nun das wässrige Prozessieren von Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien realisiert. Das Verfahren überwindet die bisherigen Nachteile mittels der synergetischen Kombination zweier Prozessierungsadditive und ohne die Notwendigkeit jedweder zusätzlicher Prozessierungsschritte. Zum einen wird der Elektrodenpaste Phosphorsäure beigefügt, um den pH-Wert zu puffern und die Aktivmaterialoberfläche zu stabilisieren. Zum anderen wird beispielsweise Zitronensäure hinzugefügt, um den wasserlöslichen Binder in situ zu vernetzen. Das so vernetzte Bindemittel verbessert die mechanischen Eigenschaften der Elektrode und führt zu einer substantiell verbesserten Zyklenstabilität, während die modifizierte Aktivmaterialoberfläche zu einem signifikanten Anstieg der erhaltenen Kapazität und einer Steigerung der Raten-Performance führt.

Vorteile

Mithilfe des Verfahrens wird die Herstellung der Komposit-Kathoden umweltfreundlicher, ohne Leistungseinbußen für die Batterien zu verursachen. Die Ladekapazität der gefertigten Batterie bleibt über viele hundert Lade- und Endladezyklen bei andauerndem Gebrauch stabil.

Optionen für Unternehmen

Das wässrige Prozessieren wurde am Institut im Labormaßstab für Knopfzellen bereits erprobt. Für Entwicklungsprojekte oder zur industriellen Anwendung des Verfahrens sucht das KIT nun Partner.