Elektroautos: PTFE-freie Anode verspricht längere Reichweite und schnellere Ladezyklen

Ein Forschungsteam aus Südkorea hat eine Methode entwickelt, um Trockenelektroden für Batterien ganz ohne den umstrittenen Kunststoff PTFE herzustellen. Die Wissenschaftler:innen des Korea Institute of Materials Science (KIMS) und des Korea Electrotechnology Research Institute (KERI) präsentieren damit die erste koreanische Technologie dieser Art. Sie soll Elektrofahrzeugen künftig größere Reichweiten und kürzere Ladezeiten ermöglichen, gleichzeitig senkt sie die Produktionskosten und den CO2-Ausstoß in der Fertigung. Der Bedarf an solchen Fortschritten wächst: Die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und stationären Energiespeichern steigt weltweit, und Hersteller liefern sich einen Wettlauf um Batterien mit höherer Energiedichte, längerer Lebensdauer und schnellerer Ladefähigkeit.

Ein Klebstoff mit Nebenwirkungen

Trockenelektroden gelten seit Jahren als vielversprechende Alternative zum klassischen Nassverfahren, weil sie ohne giftige Lösungsmittel und ohne energieintensive Trockenöfen auskommen. Bislang hielt jedoch fast jede Herstellungsmethode am Bindemittel Polytetrafluorethylen (PTFE) fest, besser bekannt als Teflon. PTFE hält die Bestandteile der Elektrode mechanisch zusammen, zählt aber zur Gruppe der sogenannten Ewigkeitschemikalien (PFAS) und zerfällt in der chemisch aggressiven Umgebung einer Batterieanode. In mehreren Weltregionen drohen zudem strengere Umweltauflagen für PFAS-Stoffe. Eine Elektrode ohne PTFE zu bauen, galt in der Branche lange als praktisch unmöglich.

Runde Granulen statt flacher Plättchen

Das Team um Jihee Yoon von KIMS und Insung Hwang von KERI ersetzte PTFE durch das Bindemittelsystem CMC-SBR, das in der klassischen Nassfertigung bereits etabliert ist. Der Bindemitteltausch allein reichte jedoch nicht aus: Die Forscher:innen mussten auch die Form der Graphitpartikel verändern. Herkömmliche Graphitplättchen richten sich beim Pressen flach und parallel aus, ähnlich wie gestapelte Spielkarten. Lithium-Ionen müssen dadurch lange Umwege um die Kanten der Plättchen nehmen, um die Elektrode zu durchqueren.

Um diese Blockade zu umgehen, versprühten die Forscher:innen eine Aufschlämmung aus Graphit, Leitzusätzen und Bindemittel und trockneten sie zu runden Granulen. In diesen Granulen liegen die Graphitflocken zufällig orientiert vor, statt sich in eine Richtung auszurichten. Dadurch entstehen mehrere Transportwege gleichzeitig, durch die Lithium-Ionen die gesamte Dicke der Elektrode direkt durchqueren können.

Dickere Elektroden, mehr Energie

Die freiere Ionenbewegung erlaubt es, deutlich dickere Elektroden zu bauen, ohne die Ladegeschwindigkeit zu beeinträchtigen. Dickere Elektroden speichern mehr Energie auf gleichem Raum und verlängern damit die Reichweite von Elektrofahrzeugen. In Experimenten zeigte die neue Trockenanode eine bessere Schnellladefähigkeit und höhere Zyklenstabilität als herkömmliche, aus einer Aufschlämmung gefertigte Anoden. Auch die Lithium-Ionen-Diffusion unter hoher Energiedichte verbesserte sich deutlich, was das Konzept für Batterien mit dicken Elektrodenarchitekturen tauglich macht.

Technologie erfordert keine neue Fertigungslinien

Da CMC-SBR bereits in bestehenden Fertigungslinien verwendet wird, könnten Batteriehersteller die Technologie ohne größere Umbauten übernehmen. „Diese Technologie eröffnet einen neuen Ansatz, um die Grenzen herkömmlicher PTFE-basierter Trockenelektrodenprozesse zu überwinden“, sagt Jihee Yoon, leitende Forscherin am Korea Institute of Materials Science. „Wir erwarten, dass sie sich hervorragend für Batterien der nächsten Generation eignet, die sowohl hohe Energiedichte als auch schnelles Laden benötigen.“

Das Ministerium für Wissenschaft und IKT sowie das Ministerium für Handel, Industrie und Energie förderten die Arbeit über mehrere Forschungsprogramme. Die Ergebnisse erschienen im April zweitausendsechsundzwanzig online in der Fachzeitschrift Energy Storage Materials, die in der Batterieforschung als eine der einflussreichsten Publikationen gilt.

via KIMS