Einfluss verschiedener Lithium-Eisenphosphat-Pulver auf trockene Elektrodenprozessierung entschlüsselt
Die trockene Prozessierung von Batterieelektroden bietet gegenüber dem konventionellen, lösungsmittelbasierten Herstellungsverfahren vielversprechende Vorteile: Toxische Lösungsmittel fallen weg, Energiebedarfe werden reduziert, Produktionskosten sinken und Prozessketten werden vereinfacht. Das Verfahren ist jedoch empfindlich gegenüber den Eigenschaften der eingesetzten Materialien. Daher ist es unerlässlich, das Zusammenspiel von Pulver, Binder und mechanischer Belastung genau zu untersuchen. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster hat sich dieser Herausforderung gewidmet und fünf verschiedene Lithium-Eisenphosphat-Pulver (LFP) analysiert. Im Fokus der Forschung standen die intrinsischen Eigenschaften der Materialien und ihre Eignung für die Trockenprozessierung sowie ihr Einfluss auf die Zellperformanz.
Materialwissenschaftliches Fundament für Auswahl geeigneter LFP-Pulver
Die Wissenschaftler*innen untersuchten die Qualitäten industriell relevanter LFP-Pulver auf Partikel-, Granulat- und Elektrodenebene. Dabei identifizierten sie zunächst die Partikelgröße als zentralen Einflussfaktor. Denn sehr kleine Partikel erschweren die Fibrillierung des Polytetrafluorethylen-Binders (PTFE), da sie die Binderoberfläche stark benetzen. Kritisch sind Partikelbrüche während der Verarbeitung. Instabile Partikel, die unter Schwerbelastung zerbrechen, können die Materialalterung beschleunigen. Eine hohe spezifische Oberfläche stärkt wiederum die Scherstabilität der Partikel, da die Scherkräfte besser verteilt werden und die Partikel daher nicht so leicht zerbrechen. Die Zellperformanz beeinflusst hierbei insbesondere die Kristallitgröße. Dabei zeigten vor allem mittlere Größen von 66 bis 69 Nanometern eine gute spezifische Entladekapazität. Das Forschungsteam führte außerdem erstmals quantitative rheologische Messungen der PTFE-basierten Granulate durch, um zu beurteilen, wie diese im Kalander verarbeitet werden können.
„Mit unserer differenzierten Materialbewertung haben wir nicht nur gezeigt, dass sich nicht jedes LFP-Pulver gleichermaßen für trockene Elektrodenprozesse eignet, sondern auch, welche Pulvercharakteristika bei der Auswahl berücksichtigt werden sollten“, sagt MEET Wissenschaftler Simon Raffenberg. „Zudem unterscheiden sich die Materialparameter teilweise deutlich von denen klassischer Nassprozesse.“ Dr. Markus Börner, Leiter des Forschungsbereichs System Zelle am MEET Batterieforschungszentrum, ergänzt: „Mit unserer Studie schaffen wir demnach ein materialwissenschaftliches Fundament, um LFP-Pulver speziell für die Trockenprozessierung zu entwickeln.“ Dieses Vorgehen habe nun das Potenzial, trockene Prozesse besser zu skalieren, Aktivmaterialien gezielt zu spezifizieren, die elektrochemische Performanz zu steigern sowie Produktionskosten und Umwelteinflüsse langfristig zu reduzieren.
Gesamte Studie online verfügbar
Die detaillierten Ergebnisse haben die Forschenden Simon Raffenberg, Dr. Uta Rodehorst, Dr. Katrin Junghans und Dr. Markus Börner, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, im Fachmagazin „Journal of Energy Storage” veröffentlicht. Eingebettet ist die Studie in das Forschungsprojekt „ProLiT“ (Prozess- und Materialentwicklung von Lithium-Ionen-Batteriekathoden für die großtechnische Trockenbeschichtung). Die untersuchten LFP-Pulver stellte der Industriepartner IBU-tec advanced materials AG zur Verfügung.