PVDF-Molekulargewicht als Schlüssel für geringeren Lösungsmittelbedarf
Der Fluorkunstoff Polyvinylidendifluorid (PVDF) zählt zu den am häufigsten verwendeten Bindemitteln in positiven Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien. Um ihn während der Zellproduktion verarbeiten zu können, ist jedoch das teure, gesundheitsschädliche, organische Lösungsmittel N-Methylpyrrolidon (NMP) erforderlich. Ein vielversprechender Ansatz, NMP zu reduzieren und damit den Energieverbrauch in bestehenden Herstellungsprozessen zu senken, ist es, die Eigenschaften des Bindemittels gezielt anzupassen. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster hat deshalb untersucht, wie das Molekulargewicht von PVDF die Eigenschaften der Elektrodenpaste und der Kompositelektrode sowie die elektrochemische Leistung der Kathoden (basierend auf Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid: NMC622) beeinflusst.
Niedriges Molekulargewicht bringt Vorteile
Die Forschenden stellten fest, dass PVDF mit niedrigem Molekulargewicht einen deutlich höheren Feststoffgehalt während der Verarbeitung ermöglicht. „Im Ergebnis haben wir den Massenanteil von NMP in der Elektrodenpaste um 33 Prozent gesenkt“, erklärt MEET Wissenschaftlerin Johanna Kauling. Der absolute NMP-Verbrauch in der Elektrodenherstellung ließ sich dadurch um 41 Prozent reduzieren. Dr. Markus Börner, Leiter des Forschungsbereichs „System Zelle“ ergänzt: „NMP zu reduzieren, ist eine mittelfristige Strategie, um die Energiekosten zu senken und sicherere, umweltfreundlichere Batterieproduktionsprozesse zu fördern, ohne die Infrastruktur umfänglich anpassen zu müssen.“
Zudem analysierte das Wissenschaftsteam zwei unterschiedliche Partikelmorphologien des Aktivmaterials NMC622: einkristallin und polykristallin. Besonders vielversprechende Ergebnisse erzielte PVDF mit niedrigem Molekulargewicht in polykristallinen Systemen. Bei diesen wurden unter anderem Migrationsprozesse des Bindemittels unterdrückt, was zu einer homogenen Verteilung der Kohlenstoff-Bindemittel-Domänen führte. Die daraus resultierende Elektrodenstruktur ermöglichte eine um 37 Prozent verlängerte Zykluslebensdauer. Damit zeigt die Studie, dass sich durch die gezielte Wahl des Bindemittels sowohl der Materialeinsatz in der Produktion reduzieren als auch die Performanz der Elektrode verbessern lässt.
Detaillierte Ergebnisse online verfügbar
Die gesamte Studie haben die Forschenden Johanna Kauling, Dr. Candeniz Gercek, Jonas Fechner und Dr. Markus Börner, MEET Batterieforschungszentrum sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, im Fachmagazin „Advanced Energy and Sustainability Research“ veröffentlicht.