Energiewende – nachhaltige und kostengünstige Batterien für das Elektroauto von morgen

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Forschende des Fraunhofer IWS mit Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2025
ausgezeichnet. Die Elektromobilität in Deutschland und Europa schreitet voran. Um weiter
Fahrt aufzunehmen, müssen die Produktionskapazitäten für Batteriezellen
hierzulande intensiv ausgebaut und die Produktionsverfahren energiearm und
deutlich günstiger werden. Ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für
Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden hat mit DRYtraec® ein
revolutionäres Verfahren entwickelt, das eine kosteneffiziente und
umweltfreundliche Herstellung von Batterieelektroden erlaubt.

Für diese
zukunftsweisende Technologie werden die Wissenschaftler im Rahmen der
Fraunhofer-Jahrestagung mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2025
ausgezeichnet.

In einer Zeit, in der elektrifizierte Fahrzeuge und stationäre
Stromspeicher eine Schlüsselrolle für die klimaneutrale Zukunft der
Energiewirtschaft spielen, ist die nachhaltige Produktion von Lithium-
Ionen-Batterien (LIB) essenziell. Ein Forscherteam um Dr. Benjamin Schumm,
Dr. Holger Althues und Prof. Stefan Kaskel hat mit DRYtraec® (Dry transfer
electrode coating) ein neuartiges Verfahren der Batteriezellproduktion
entwickelt, das vollständig auf den sonst üblichen Einsatz toxischer
Lösemittel verzichtet und die energie- sowie kostenintensive Trocknung der
Elektrodenschichten einspart.

Die Herausforderung der Batterieproduktion und die innovative Lösung durch
DRYtraec®

Elektroden sind ein zentraler Baustein jeder Batterie und bestehen in der
Regel aus einer Metallfolie, die mit einer dünnen Beschichtung überzogen
ist. Die Beschichtung enthält die aktiven Komponenten, die für die
Energiespeicherung verantwortlich sind. Ȇblicherweise erfolgt der
Beschichtungsprozess nasschemisch mit sogenannten Slurry-Ansätzen«,
erklärt Dr. Benjamin Schumm, Abteilungsleiter Partikeltechnik am
Fraunhofer IWS. »Die DRYtraec®-Technologie erlaubt es, eine
Elektrodenschicht direkt aus einem Trockengemisch – bestehend aus
Aktivmaterial, Leitruß und Binder – herzustellen.« Im Gegensatz zum
konventionellen Slurry-Verfahren wird dabei kein Lösemittel eingesetzt.
Eine spezielle Kalander-Vorrichtung erzeugt Scherkräfte in einem
Walzenspalt und verankert so Partikel des Aktivmaterials und des Leitrußes
durch die verbundene Fibrillierung des Bindemittels mechanisch. Geträgert
auf den Kalanderwalzen entsteht eine komplett trockene Elektrodenschicht –
die energie- und platzaufwendige Trocknung entfällt. Zudem gelingt die
doppelseitige Beschichtung in einem Schritt durch den direkten Transfer
von beiden Seiten auf die Stromkollektorfolien. Die lösemittelfrei
hergestellten DRYtraec®-Elektroden weisen eine herausragende
Leistungsfähigkeit und Stabilität auf – ohne Einbußen gegenüber Slurry-
basierten Elektroden.

DRYtraec® – patentierte Technologie mit großem Zukunftspotenzial

Der einzigartige wissenschaftlich-methodische Ansatz des walzenbasierten
Trocken-film-Transferprozesses minimiert Produktionsrisiken und
erleichtert die Skalierung zu größeren Beschichtungsbreiten und höheren
Prozessgeschwindigkeiten. Die weltweit erste Prototypanlage wurde bereits
2013 konstruiert und die Technologie seitdem stetig weiterentwickelt. Die
Anlage ermöglicht die kontinuierliche Prozessführung und Herstellung
qualitativ hochwertiger Elektroden im Rolle-zu-Rolle-Verfahren. »Wir haben
für DRYtraec® eine F&E-Plattform realisiert, die Industriekunden entlang
der Wertschöpfungskette ein breites Angebot von der Erprobung bis zum
Transfer in die kommerzielle Nutzung bietet. Mit der Lizensierung der
Technologie an ein führendes Unternehmen der europäischen
Automobilindustrie ebnet dies den Weg zur weiteren Skalierung bis zur
Massenproduktion«, erläutert Dr. Holger Althues, Abteilungsleiter
Batteriewerkstoffe am Fraunhofer IWS.

Das DRYtraec®-Verfahren ist auch für die wichtigen Batterietechnologien
der Zukunft geeignet, wie etwa die Natrium-Ionen- oder die
Feststoffbatterie. Die »Drop-In-Fähigkeit« zur Elektrodenherstellung wurde
für diese Zellsysteme nachgewiesen. Prof. Stefan Kaskel,
Technologiefeldleiter Batterietechnik am Fraunhofer IWS, erklärt: »Den
Prozess haben wir zunächst für Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien
umgesetzt und inzwischen für Lithium-Schwefel- und für Feststoffbatterien
angepasst. Diese werden in Zukunft eine immer größere Rolle spielen,
jedoch leidet die Leistungsfähigkeit der Materialien unter einer nass-
chemischen Verarbeitung. Mit DRYtraec® bieten wir einen vielversprechenden
Ansatz mit doppeltem Vorteil.«

Die patentierte DRYtraec®-Technologie, die inzwischen als
Standardverfahren für die Trockenbeschichtung etabliert ist, festigt die
Rolle des Fraunhofer IWS als führender F&E-Anbieter auf dem Gebiet der
Trockenbeschichtung. Damit trägt Fraunhofer maßgeblich zur Sicherung des
Automobilstandorts Deutschland bei und unterstreicht die hohe Bedeutung
der Produktionstechnologie als wesentliche Wertschöpfung in der
Transformation der Mobilität.