Prozess der Herstellung einer Lithium-Ionen-Batterie: Elektrodenfertigung, Mischen

Autor: Benedikt Hürter

Veröffentlicht am: 28.06.2019

Der Prozessschritt „Mischen“ dient zur Herstellung einer homogenen Beschichtungspaste (Slurry), der im folgenden Prozess der Beschichtung auf die Elektrodenfolien aufgebracht wird. In einem Mischer werden die Materialien entsprechend einem dem Verwendungszweck angepassten Rezept vermengt und anschließend mittels einer Pumpe entweder direkt durch Rohrleitungen oder in atmosphärisch abgedichteten Speichern zum nächsten Prozessschritt überführt.

Der Prozess des Mischens umfasst die Verbindung von mindestens zwei voneinander getrennten Ausgangsstoffen durch Energieeintrag zu einem homogenen Slurry. Dabei rotieren sowohl der Mischer als auch das Mischwerkzeug. Für eine bessere Vermengung ist darüber hinaus der Mischer gegen seine Vertikale gekippt. Die Mischdauer beträgt zwischen zwei und sechs Stunden bei einer Temperatur von 20°C bis 40°C. Um den Slurry vor Sauerstoff und Verunreinigung zu schützen, findet der Prozess entweder unter Schutzgas oder im Vakuum statt.

Es bestehen drei Prozessführungen, die sich hinsichtlich der zeitlichen Reihenfolge von Mischen (Trockenmischen) und Dispergieren (Nassmischung) unterscheiden. Es sind somit mehrere Mischer notwendig, um ein optimales Zwischenprodukt zu erlangen. Für Anode und Kathode ergeben sich unterschiedliche Rezepturen. Entscheidender Unterschied sind die Aktivmaterialien. Bei der Anode wird überwiegend Grafit verwendet, während bei der Kathode Lithiumverbindungen eingesetzt werden. Zusätzlich zu den Aktivmaterialien werden Leitruße, Lösungsmittel, Binder sowie Additive beigemengt.

Beispielrezeptur für Anoden- und Kathodenbeschichtung

Ein wichtiges Unterscheidungskriterium ist dabei das Lösungsmittel. Man unterscheidet organische und wasserbasierte Lösungsmittel. Davon abhängig ist die Auswahl der weiteren Stoffe. Das Mischverhältnis von Aktivmaterial:Leitruß:Binder:Additive liegt bei ca. 90:5:3:2, je nach Anwendungsfall sind jedoch andere Verhältnisse üblich. Die genaue Rezeptur ist meist herstellerspezifisch und ein gut gehütetes Geschäftsgeheimnis.

Die erforderliche Qualität für die nachfolgenden Fertigungsschritte stellt hohe Anforderungen an den Mischvorgang. So müssen folgende Punkte gewährleistet werden:

• Homogenität
• Erwünschte Agglomeratbildung
• Hohe Reinheit
• Keine Gaseinschlüsse
• Spezifische Viskosität

Insbesondere die Reinheit muss auch bei unterschiedlichen Rezepturen garantiert werden und wird mit Hilfe unterschiedlicher Mischer erreicht. Gleichzeitig wird so die Partikelverschleppung und eine mögliche Querkontamination verhindert. Der Slurry kann ca. zwei Stunden gelagert werden, bis eine Deagglomeration erfolgt und eine weitere Verwendung nicht mehr möglich ist. Der sofortige Weitertransport ist anzustreben.