Sprühtrocknungstechnologie für Instantkaffee auf die Herstellung von Hochleistungsbatterien übertragen

Weltweit führender Gehalt an aktivem Material von 98% in der Elektrode erreicht

17.04.2025

Das Korea Electrotechnology Research Institute (KERI) und das Korea Institute of Materials Science (KIMS) haben gemeinsam eine auf der Sprühtrocknungstechnologie basierende Hochleistungstechnologie zur Herstellung von Trockenelektroden entwickelt, mit der sich Sekundärbatterien mit hoher Kapazität herstellen lassen.

Bei der Herstellung von Sekundärbatterieelektroden werden "aktive Materialien", die elektrische Energie speichern, "leitende Zusätze", die den Stromfluss unterstützen, und "Bindemittel", die als eine Art Klebstoff dienen, gemischt. Es gibt zwei Methoden zum Mischen dieser Materialien: das "Nassverfahren", bei dem Lösungsmittel verwendet werden, und das "Trockenverfahren", bei dem feste Pulver ohne Lösungsmittel gemischt werden. Das Trockenverfahren gilt als umweltfreundlicher als das Nassverfahren und hat als Technologie, mit der die Energiedichte von Sekundärbatterien erhöht werden kann, große Beachtung gefunden. Bislang gab es jedoch viele Einschränkungen bei der Erzielung einer gleichmäßigen Mischung von aktiven Materialien, leitfähigen Zusätzen und Bindemitteln im Trockenverfahren.

Um dieses Problem zu lösen, haben KERI und KIMS die Sprühtrocknungstechnologie, die sich bereits in der Massenproduktion in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie bewährt hat, auf das Trockenverfahren übertragen. Zunächst mischten die Forscher am KIMS die aktiven Materialien und leitfähigen Zusätze in Form einer flüssigen Aufschlämmung und sprühten sie dann in eine Hochtemperaturkammer aus Glasrohren. Das Prinzip besteht darin, dass das Lösungsmittel aufgrund der hohen Temperatur in der Kammer sofort verdampft und nur ein gleichmäßig gemischtes Verbundpulver aus aktiven Materialien und leitfähigen Zusätzen zurückbleibt. Dieses Verfahren ist dasselbe wie bei der Massenproduktion von Instantkaffee in Stäbchenform, bei dem das Kaffeekonzentrat aufgesprüht und mit heißer Luft zu einem festen Pulver verarbeitet wird.

Das im Sprühtrocknungsverfahren hergestellte Verbundpulver aus aktiven Materialien und leitfähigen Zusätzen wurde von den Forschern am KERI, die über ein umfassendes Know-how und Fachwissen im Bereich der "Trockenelektrodenverfahren" verfügen, in Hochleistungselektroden umgewandelt. Die Forscher mischten den Verbundstoff aus aktiven Materialien und leitfähigen Zusätzen mit Bindemitteln und führten dann einen Prozess namens "Fibrillierung" durch, bei dem die Bindemittel mit Hilfe einer speziell entwickelten Ausrüstung zu Fäden verstreckt werden. Durch dieses heikle Verfahren wurden die "aktiven Materialien - leitende Zusatzstoffe - Bindemittel" besser zu einer Struktur verwoben und konnten präzise kombiniert werden. Schließlich durchliefen die Forscher einen "Kalandrierungsprozess", bei dem die kombinierten aktiven Materialien, leitfähigen Zusätze und Bindemittel zu einem dünnen Film mit gleichmäßiger Dichte verarbeitet wurden, um schließlich Elektroden für Batterien herzustellen.

KERI und KIMS glauben, dass diese Errungenschaft eine hohe Kapazität in Sekundärbatterien ermöglichen wird. Dank dieser Errungenschaft ist es möglich, eine optimale Mischung zwischen den internen Materialien der Sekundärbatterie zu erreichen, indem die Menge an leitenden Zusatzstoffen im Vergleich zu früher reduziert und stattdessen dieser Raum mit aktiven Materialien gefüllt wird, die in direktem Zusammenhang mit der Batteriekapazität stehen.

Die Forscher, die die gemeinsame Studie durchgeführt haben, konnten durch zahlreiche Experimente die Menge der leitfähigen Zusatzstoffe von den in der Fachliteratur für Trockenelektroden angegebenen 2-5 % auf bis zu 0,1 % drastisch reduzieren. Außerdem erreichten sie einen weltweit führenden Wert von 98 % für den Gehalt an aktiven Materialien. Darüber hinaus erreichten die mit dieser Methode hergestellten Trockenelektroden eine Flächenkapazität von etwa 7 mAh/cm², was doppelt so hoch ist wie bei kommerziellen Elektroden (2-4 mAh/cm²). Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden aufgrund ihrer hohen technologischen Kompetenz anerkannt und kürzlich in der Zeitschrift Chemical Engineering Journal veröffentlicht.

Senior Researcher Insung Hwang vom Next Generation Battery Research Center des KERI erläuterte die Bedeutung der Forschungsergebnisse und erklärte, dass die optimale Kombination von Elektrodenmaterialien die Energiedichte und -leistung verbessern kann und dass diese Technologie ein großes Potenzial hat, da sie auf Batteriebereiche der nächsten Generation wie Festkörperbatterien und Lithium-Schwefel-Batterien angewendet werden kann. Der leitende Forscher Jihee Yoon von der KIMS-Forschungsabteilung für Konvergenz- und Verbundwerkstoffe erklärte: "Durch weitere Forschung wollen wir die Prozesskosten senken, die Möglichkeiten der Massenproduktion verbessern und die Technologie ausbauen, mit dem Ziel, die Technologie schließlich an Unternehmen weiterzugeben."

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Originalveröffentlichung

Insung Hwang, Kyung-Eun Sung, Jieun Hong, Gil-Seon Kang, Jihee Yoon; "A breakthrough in dry electrode technology for high-energy-density lithium-ion batteries with spray-dried SWCNT/NCM Composites"; Chemical Engineering Journal, Volume 506

https://www.chemie.de/news/1186055/spruehtrocknungstechnologie-fuer-instantkaffee-auf-die-herstellung-von-hochleistungsbatterien-uebertragen.html