Lithium-Ionen-Batterien sind gefragt. Sie gelten als zentraler Baustein in der Entwicklung der Elektromobilität. Die Batterien bieten eine hohe Leistung, haben aber einen großen Nachteil: In der Herstellung der nickelhaltigen Kathodenmasse kommen giftige Lösungsmittel und fluorhaltige Chemikalien zum Einsatz. Das innBW-Institut Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) hat nun ein umweltfreundliches Verfahren für die Produktion der Kathoden entwickelt. Den Forscherinnen und Forschern am ZSW gelang es, das giftige Lösungsmittel NMP durch Wasser zu ersetzen. Auch den fluorhaltigen Binder konnte das ZSW durch einen für die Umwelt harmlosen Stoff ersetzen. Die Produktion der Pilotserie lieferte erfolgsversprechende Ergebnisse: Nach 1.000 Zyklen wiesen die Batterien noch 80 Prozent der Anfangskapazität auf. Damit sind die umweltfreundlichen und kostengünstigeren Lithium-Ionen-Batterien für den Einsatz in Batteriefahrzeugen geeignet.
„Unsere Arbeiten sollen die Herstellung von Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien verbessern und umweltfreundlich machen, ohne die Leistung der Batterien zu beeinträchtigen“, so Prof. Dr. Markus Hölzle, Leiter des ZSW-Geschäftsbereich in Ulm. „Dabei spielt die Substitution von giftigen Lösungsmitteln und biologisch nicht abbaubaren fluorhaltigen Chemikalien eine wichtige Rolle.“ Im Rahmen der Forschungsarbeiten hat das ZSW das Standard-Lösemittel NMP sowie das Binder-Gemisch PVDF mit einer wässrigen Formulierung ersetzt. Dadurch werden neben den positiven ökologischen Aspekten auch die Kosten bei der Zellfertigung gesenkt. Startpunkt waren eigene Arbeiten im Milliliter-Maßstab. Nun konnten die Forschenden erstmals erfolgreich auch Elektroden von rund 100 Meter Länge herstellen. Hierzu wurden die vorentwickelten Materialien im Kilogramm-Maßstab eingesetzt. Dieser sogenannte Pilotmaßstab gilt als Schlüsselschritt bei der Übertragung von Labor (Milliliter) in die großtechnische Anwendung (Kubikmeter bzw. Tonnen). Das ZSW konnte mit den 100 Meter langen Elektrodenbändern auch erstmalig vollwertige zylindrische Batteriezellen des Formats 21700 produzieren. Dieses Zellformat setzt etwa der Autobauer Tesla in seinem Model 3 ein. Diese Batterien sind aber auch für den Einsatz im E-Bike geeignet. Die Übertragung des Prozesses auf weitere Zellformate wird folgen.
Über das ZSW:
Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) gehört zu den führenden Instituten für angewandte Forschung auf den Gebieten Photovoltaik, regenerative Kraftstoffe, Batterietechnik und Brennstoffzellen sowie Energiesystemanalyse. An den drei ZSW-Standorten Stuttgart, Ulm und Widderstall sind derzeit rund 330 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker beschäftigt. Hinzu kommen 100 wissenschaftliche und studentische Hilfskräfte. Das ZSW ist Mitglied der Innovationsallianz Baden-Württemberg (innBW), einem Zusammenschluss von 12 außeruniversitären, wirtschaftsnahen Forschungsinstituten.
