Die Elektroden von Feststoffbatterien könnten künftig ohne Lösungsmittel und ohne energieintensive Trocknung entstehen. Das Schweizer Jungunternehmen Ternon, ein noch in Gründung befindliches Spin-off der Empa, hat dafür ein trockenes Beschichtungsverfahren entwickelt. Im Vergleich zu lösungsmittelbasierten Methoden lässt sich der Energieverbrauch damit um ein Viertel bis die Hälfte senken. Abnehmer sollen Hersteller von Batteriezellen sein, die Ternon mit fertigen Elektroden beliefern will.
Hinter der Idee steht Edouard Quérel, Forscher im Empa-Labor „Materials for Energy Conversion“. Wie groß der Hebel ist, zeigt ein Blick auf die heutige Produktion: Partikel des aktiven Materials, ein Polymer-Bindemittel und Zusatzstoffe werden als Pulver mit einem Lösungsmittel zu einer Art Drucktinte vermischt. Diese Masse wird dünn auf eine Metallfolie aufgetragen und danach getrocknet, bis das Lösungsmittel verdampft ist. Die dafür nötige Trocknungsanlage erreicht etwa die Länge eines Fußballfeldes und verursacht den Großteil des Energieverbrauchs in der Batterieherstellung.
Bei Feststoffbatterien stößt dieser Weg zusätzlich an Grenzen. Anders als heutige Lithium-Ionen-Akkus kommen sie ohne brennbaren flüssigen Elektrolyten aus und setzen auf feste Elektrolyte. Das erhöht die Sicherheit und erlaubt Materialien wie Lithiummetall, die besonders hohe Energiedichten ermöglichen. Entwickelt werden solche Zellen derzeit für Roboter, Drohnen, E-Autos und sogar Kleinflugzeuge, in Miniaturform auch für medizinische Geräte oder das Internet der Dinge. Ihre Kathodenmaterialien reagieren allerdings äußerst empfindlich auf Feuchtigkeit und Lösungsmittel.
Hinzu kommt die Mikrostruktur. „Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien sind absichtlich porös, damit der Flüssigelektrolyt sie durchdringen kann“, erklärt Quérel. In Feststoffzellen, die keine Flüssigkeit enthalten, seien Poren dagegen hinderlich, weil Ionen sie nicht passieren können. Zwar lässt sich die aktive Schicht nach dem Trocknen mechanisch verdichten, doch das macht den ohnehin aufwendigen Prozess noch komplexer.
Feine Fasern halten alles zusammen
Ternon verzichtet deshalb vollständig auf Flüssigkeiten und stellt flexible Elektrodenfolien direkt aus Pulvern her. Aktivmaterial, fester Elektrolyt und weitere Zusätze vermischt Quérel dabei mit einem Bindemittel, das beim mechanischen Mischen ein Netzwerk aus feinen Fasern (Fibrillen) bildet. „Wir betten die Partikel sozusagen in einem Spinnennetz ein“, beschreibt der Forscher das Prinzip. Anschließend presst ein Kalander, also ein System beheizter Walzen, das Gemisch zu einer ebenmäßigen Schicht von rund 100 Mikrometern. Quérel vergleicht die Anlage mit einer „sehr fortschrittlichen Pasta-Maschine“.
Aufgebracht auf eine metallische Stromabnehmerfolie, ist die Elektrode damit fertig. Neben dem geringeren Energiebedarf soll das Verfahren weitere Vorteile bieten: Produktionsabfälle lassen sich direkt recyceln, die Mikrostruktur fällt gut aus, und es braucht weniger Verarbeitungsschritte, was die Fertigung kosteneffizienter macht. Zudem gilt die Methode als „chemie-agnostisch“, kann also unterschiedliche Aktivmaterialien und Elektrolyte verarbeiten, sofern diese bestimmte physikalische Grundvoraussetzungen erfüllen. „So kann Ternon in Zukunft Elektroden nach Kundenwunsch herstellen“, sagt der Gründer.
Entstanden ist das Verfahren während Quérels Zeit als Postdoktorand. Sein Labor leitete damals ein Teilprojekt des Innosuisse-Flagships „CircuBAT“, das sich zunächst auf Lithium-Ionen-Batterien für die Elektromobilität konzentrierte. Weil er sich bereits im Doktorat mit Feststoffbatterien befasst hatte, erkannte er das Potenzial der Trockenbeschichtung für diese Zellklasse. Für die Ausgründung erhielt er ein Empa Entrepreneur Fellowship, ein einjähriges Stipendium für Forschende, die auf Basis ihrer Arbeit an der Empa ein Unternehmen gründen wollen. „Der Schritt in die Selbständigkeit ist nicht leicht in einem Gebiet, in dem Prozessoptimierung so viel fortschrittliche Ausrüstung zur Charakterisierung von Materialien erfordert“, sagt er.
Das Fördergeld investierte Quérel in eine Pilot-Produktionsanlage. Nach seinen Angaben könnte sie bereits Elektroden für rund 100 Kilowattstunden Batteriekapazität jährlich fertigen, was „in etwa der Batterie eines großen Elektroautos“ entspreche. Mit derselben Technologie sei eine Skalierung bis in den Mega- und Gigawattstunden-Bereich machbar. Ausgelegt ist die Linie auf Hochdurchsatz-Experimente, Hunderte unterschiedliche Elektrodenzusammensetzungen wurden dort schon hergestellt und charakterisiert.
Ternons erstes Produkt, die Elektroden selbst, ist bereits erhältlich. Die nächsten Schritte finanzieren ein „Bridge Proof-of-Concept“-Grant und ein Innosuisse-Innovationsprojekt. Für 2027 plant der Gründer, die Technologie zu skalieren und mit Partnern Prototypen von Pouch-Zellen zu bauen, um das Verhalten der Elektroden unter realen Bedingungen zu untersuchen. Darüber hinaus sieht er Einsatzmöglichkeiten überall dort, wo Partikel ohne Lösungsmittel zu Schichten verarbeitet werden sollen.
Quelle: Edison – Elektroden für Feststoffakkus auf trockene Art
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