Die Produktion von Batteriezellen tritt in eine neue Phase ein. Die Nachfrage steigt, der Kostendruck nimmt zu, und die Hersteller suchen nach Möglichkeiten, ihre Fabriken weiter zu optimieren. Einer der vielversprechendsten Ansatzpunkte ist die Trockenbeschichtung von Elektroden. Anstatt Aktivmaterial als lösungsmittelbasiertes Slurry zu verarbeiten und in langen Öfen zu trocknen, wird das Material in Pulverform zu einem Film gepresst und auf den Stromkollektor laminiert. Bei Dürr arbeitet R&D Manager Dr. Stefan Doose mit seinem Team daran, dieses Prinzip in eine industrielle Lösung umzusetzen: X.Cellify DC.
Dr. Stefan Doose stellte die Trockenbeschichtungstechnologie von Dürr auf der Innovation Stage der Battery Show Europe vor.
Stefan, warum steht die Trockenbeschichtung derzeit so sehr im Fokus?
Weil die Elektrodenherstellung einer der energie- und platzintensivsten Bereiche der Zellfertigung ist. Bei der herkömmlichen Nassbeschichtung trägt man Aktivmaterial als Dispersion auf Metallfolie auf, trocknet sie und gewinnt unter Umständen das Lösungsmittel zurück. Das ist eine bewährte Technologie, erfordert jedoch große Trockner, den Umgang mit Lösungsmitteln und damit einen hohen Energieaufwand. Die Trockenbeschichtung macht diese Schritte überflüssig. Für die Kunden ist dies nicht nur ein Thema der Nachhaltigkeit. Es wirkt sich direkt auf Investitionskosten, Betriebskosten, die Fabrikplanung und die Markteinführungszeit aus.
Was ist die Idee hinter X.Cellify DC?
Unser Ansatz besteht darin, einen freistehenden Film aus Aktivmaterial herzustellen. Die Pulvermischung wird dosiert, durch Kalandrieren ein Film geformt, auf die gewünschte Dicke, Dichte und Flächenbeladung gebracht und anschließend auf beide Seiten der Kollektorfolie laminiert. Entscheidend ist, dass der Film bis zum abschließenden Laminierungsschritt ohne Trägerfolie durch das System läuft. Entspricht der Film vor der Laminierung nicht den gewünschten Spezifikationen, kann das Material in den Prozess zurückgeführt werden. Das bedeutet eine wesentlich effizientere Materialnutzung, zumal Aktivmaterial zu den wertvollsten Komponenten einer Batteriezelle gehört.
Durch Kalandrieren wird ein Film geformt, der ohne Trägerfolie durch das System läuft.
Inwiefern unterscheidet sich dies von anderen Trockenbeschichtungskonzepten?
In der Branche gibt es verschiedene Trockenelektrodenverfahren, darunter z. B. Sprüh-, 3D-Druck- und (Mehrfach-)Verdichtungsverfahren. X.Cellify DC basiert auf dem Know-how im Bereich der Rolle-zu-Rolle-Prozesse und des Kalandrierens (Verdichtens). Dürr hat dabei umfassende Erfahrung in der Bahnhandhabung, Beschichtung, Kalandrierung und Prozessintegration. Dieses Know-how nutzen wir, um den trocken gepressten Film stabil, kontrollierbar und skalierbar zu machen. Das Ziel ist keine Laboranwendung, sondern wir wollen mit unseren Kunden Schritt für Schritt den Gigawatt-Maßstab erreichen.
Welche Vorteile können Zellhersteller erwarten?
Der erste Vorteil ist der Wegfall von Trockenöfen und der Lösungsmittelrückgewinnung bei der Elektrodenbeschichtung. Dadurch lassen sich die benötigte Produktionsfläche um bis zu 65 Prozent und auch der Energieverbrauch signifikant im Vergleich zur Nassbeschichtung reduzieren. Der zweite Vorteil ist die Materialeffizienz: Vor der Lamination kann der freistehende Film vollständig in den Prozess zurückgeführt werden. Der dritte Vorteil ist die Produktqualität. Da die Lamination auf die Kollektorfolie nur geringe Kräfte erfordert, wird die Folie schonend behandelt und die Weiterverarbeitbarkeit verbessert sich.
Die Trockenbeschichtung mit X.Cellify DC entwickelt Dürr an seinem Standort in Frankreich.
Hat die Trockenbeschichtung auch Einfluss auf die Zellleistung?
Ja, das ist einer der Gründe, warum das Thema so interessant ist. Die Trockenbeschichtung ermöglicht unter anderem die Herstellung dickerer Elektrodenschichten ohne Bindermigration, und dickere Elektroden sind ein wichtiger Schritt zu einer höheren Energiedichte, da sie die Menge an Aktivmaterial pro Fläche erhöhen. Gleichzeitig muss der Prozess Homogenität, Haftung, Porosität und Ionentransport sicherstellen. Hier ist die Prozesskontrolle entscheidend. In unseren Tests konnten wir zeigen, dass die hergestellten Schichten den geltenden Industriestandards entsprechen. Wir haben die Leistung der vollständigen Zellen über mehr als 650 Zyklen bewertet. Die physikalischen Elektrodenparameter Dicke, Dichte, Flächenkapazität und Porosität liegen im Zielbereich, und wir konnten eine Verringerung des Übergangswiderstands in den Elektroden um den Faktor 5 bis 10 feststellen.
Was macht die Skalierung vom Labor zur Fabrik so schwierig?
Im Labor lässt sich einfach nachweisen, dass ein Materialsystem unter kontrollierten Bedingungen funktioniert. In der Produktion sind jedoch Stabilität über lange Laufzeiten, eine zuverlässige Bahnführung, eine reproduzierbare Filmbildung und ein Prozessfenster erforderlich, das die tatsächlichen Schwankungen in der Industrie toleriert. Bei der Trockenbeschichtung geht es nicht einfach darum, eine Maschine durch eine andere zu ersetzen. Sie verändert das Zusammenspiel zwischen Materialzusammensetzung, mechanischer Bearbeitung und den Eigenschaften der Elektrode. Deshalb setzen wir stark auf Pilotanlagen. Sie ermöglichen es den Herstellern, frühzeitig Prozesswissen aufzubauen, das Zusammenspiel zwischen Material, Prozess und Anlagen zu bewerten und ihren individuellen Prozess bis zum industriellen Maßstab weiterzuentwickeln.
X.Cellify DC kann bereits in Pilotanlagen im Gigawatt-Maßstab eingesetzt werden.
Wie sieht die Roadmap aus?
Wir beginnen die Zusammenarbeit mit unseren Kunden in unserem Labor und begleiten sie bis zur Serienproduktion. Dabei unterscheiden wir drei Phasen: Erstens die Laborarbeit, um das Material zu verstehen und Zielparameter zu definieren. Zweitens Pilotanlagen, in denen Kunden die Filmbildung, Verdichtung, Laminierung und das Verhalten im weiteren Prozess bei relevanten Breiten und Geschwindigkeiten validieren können. Drittens Produktionslinien, die das in der Pilotphase gewonnene Wissen nutzen. Unser Portfolio umfasst einen Laborbeschichter und einen Pilotbeschichter mit einer Elektrodenbreite von 300 mm sowie Skalierungsoptionen hin zu breiteren und schnelleren Linien im Gigawattmaßstab.
Welche Zellchemien können damit abgedeckt werden?
X.Cellify DC ist auf Flexibilität ausgelegt. Die Technologie eignet sich sowohl für heutige Lithium-Ionen-Batterien als auch für zukünftige Zellkonzepte wie Festkörperbatterien. Das gleiche Grundprinzip – die Bildung eines freistehenden Trockenfilms und anschließende Laminierung – lässt sich an verschiedene Aktivmaterialien, Bindemittel und Additive anpassen. Diese Flexibilität ist wichtig, da Batteriehersteller ihre Chemien weiterhin hinsichtlich Kosten, Energiedichte und Verfügbarkeit der Rohstoffe optimieren.
Dürr stellte sein X.Cellify-Portfolio auf der Battery Show Europe in Stuttgart vor.
Welche Rolle spielt das gesamte Batterieportfolio von Dürr?
Die Trockenbeschichtung ist Teil der X.Cellify-Produktlinie, die wichtige Schritte in der Zellfertigung von der Elektrodenherstellung bis zur Elektrolytbefüllung abdeckt. Das spielt eine wichtige Rolle, da die Elektrodenqualität alles beeinflusst, was danach folgt: Schneiden, Stapeln oder Wickeln, Zellmontage, Befüllung und Formierung. Mit X.Cellify DC ergänzen wir die bewährte Kompetenz von Dürr in den Bereichen Nassbeschichtung, Trocknung, Kalandrieren und Lösungsmittelrückgewinnung um ein Verfahren der nächsten Generation. Wir können Kunden daher den gesamten Prozess anbieten und sind nicht auf eine einzelne Maschine beschränkt.
In einem Satz zusammengefasst, was sind die Vorteile von X.Cellify DC?
Aus unserer Sicht geht es beiX.Cellify DC darum, die Trockenbeschichtung von Elektroden in die Industrie zu bringen: weniger Energie, weniger Platzbedarf, weniger Abfall und ein skalierbarer Weg von unserem Labor bis zur Produktion beim Kunden. Die Technologie erfordert weiterhin eine enge Zusammenarbeit zwischen Maschinen- und Anlagenbau, Materialentwicklern und Zellherstellern. Aber genau darin liegt die Chance. Wenn wir Material-Know-how mit zuverlässiger Verfahrenstechnik kombinieren, kann die Trockenbeschichtung zu einem entscheidenden Faktor für die nächste Generation von Batteriefabriken werden.
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