PErfektZell – Faltenfrei durch den Kalander

Die Kathode einer gängigen Lithium-Ionen-Batterie besteht aus einem Gemisch aus Aktivmaterial zur Speicherung von Lithium-Ionen, Leitruß sowie weiteren Additiven. Dieses Gemisch wird auf eine Aluminium-Folie als Träger und Stromableiter aufgebracht. Um die Schichtdicke zu verringern und die volumetrische Energiedichte der Kathode zu erhöhen, werden die beschichteten Folien in einem Walzprozess verdichtet. Dabei werden die vorhandenen Poren in der Kathodenschicht verkleinert. Das System von aufeinander angeordneten Walzen bezeichnet man als Kalander.

Weil die Partikel des Aktivmaterials in die Aluminiumfolie gepresst werden, entstehen Spannungen in der Folie. Diese Spannungen führen insbesondere an den Rändern, wo keine Aktivmaterialbeschichtung aufgebracht wird, dazu, dass sich Falten bilden, so genannte Wrinkles. Dort, wo die Falten auftreten, kann sich die Beschichtung von der Folie lösen. Außerdem können die Falten dazu führen, dass nachfolgende Prozessschritte wie Kontaktierung und Zellassemblierung nicht reibungslos verlaufen. All das führt dazu, dass sich die Qualität der Zelle verschlechtert.

Durch die Arbeiten im Verbundvorhaben PErfektZell soll ermöglicht werden, dass Elektroden für heutige und zukünftige Materialsysteme faltenfrei hergestellt werden können. Dazu untersuchen die Projektbeteiligten zunächst, was die genauen Ursachen der Faltenbildung sind. Dazu werden in-line – also während des Fertigungsprozesses direkt in der Produktionslinie – Aufnahmen von den Elektroden gemacht und zwar vor dem Kalandrieren und danach. Die Verformung der Muster, die vorher auf die Elektroden gedruckt werden, gibt Aufschluss über die Verformung der Elektroden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler variieren darauf aufbauend verschiedene Prozessparameter, wie die Art der Stromableiterfolien, Verdichtungsstufen und Elektrodendicke, und können so herausfinden, wie sich diese auf die Faltenbildung auswirken.

Das gewonnene Wissen bildet die Grundlage, um ein neues Zusatzmodul an einem industrietauglichen Kalander zu konzipieren und aufzubauen. Dieses soll verhindern, dass sich Falten bilden, und so eine höhere Verdichtung des Aktivmaterials erlauben. Im Erfolgsfall kann durch die Technologie die volumetrische Energiedichte von Batteriezellen erhöht und die Qualität von Lithium-Ionen-Batterien verbessert werden.