Neue Anode für E-Auto-Batterien soll schnelleres Laden und mehr Reichweite bringen

Beim Laden einer Batterie herrscht an der Anode Hochbetrieb: Lithium-Ionen wandern hinein und lagern sich im Graphit ein. Wie gut das funktioniert, beeinflusst Ladegeschwindigkeit, Leistung und Alterung des Akkus. Koreanische Forscher haben nun eine neue Anode für die E-Auto-Batterie entwickelt, die ohne den umstrittenen Kunststoff PTFE auskommt. Gemeint ist aber nicht ein fertiger Serienakku für das nächste Elektroauto. Es geht um ein Herstellungsverfahren für die negative Elektrode, das dickere Akkuschichten möglich machen soll.

Der National Research Council of Science & Technology berichtet über die Arbeit von Teams des Korea Institute of Materials Science und des Korea Electrotechnology Research Institute. Die Studie erschien im Journal Energy Storage Materials. Dort beschreiben die Forscher eine Trockenanode aus speziell geformtem Graphit. Sie soll Lithium-Ionen gleichmäßiger durch die Elektrode bewegen und damit zwei Schwachstellen heutiger Akkus angehen: lange Ladezeiten und begrenzte Energiedichte.

Warum die E-Auto-Batterie an der Anode hängt

Graphit steckt schon heute in vielen Lithium-Ionen-Akkus. Das Material sitzt an der Anode, also am Minuspol der Zelle. Beim Laden wandern Lithium-Ionen dorthin und lagern sich im Graphit ein. Je schneller und gleichmäßiger dieser Prozess läuft, desto besser verträgt die Batterie hohe Ladeleistungen. Bei dicken Elektroden wird das schwieriger. Die Ionen müssen längere Wege zurücklegen. In manchen Bereichen kommt zu wenig Lithium an, in anderen zu viel.

Solche dicken Elektroden sind trotzdem begehrt. Sie können mehr aktives Material pro Fläche aufnehmen. Das kann die Energiedichte erhöhen, also mehr Energie in einer Zelle speichern. Für Elektroautos heißt das perspektivisch: mehr Reichweite bei gleicher Zellfläche oder kleinere Akkupakete bei ähnlicher Leistung. Die neue Arbeit setzt genau an dieser praktischen Hürde an. Die Anode soll dicker werden, ohne dass es den Ionentransport im Inneren ausbremst.

Graphit richtet sich völlig neu aus

Der Trick liegt in der Form der Graphitteilchen. Normalerweise liegen plättchenartige Graphitpartikel in Elektroden oft stark ausgerichtet. Das kann den Transport durch die Dicke der Elektrode erschweren. Das koreanische Team formte die Graphitpartikel deshalb vorher zu größeren Körnchen. Dafür nutzte es Sprühtrocknung, ein industriell verbreitetes Verfahren für Pulver und Batteriematerialien.

In diesen Granulen liegen die Graphitflocken zufällig ausgerichtet. Die Fachleute sprechen von einer isotropen Struktur. Für Laien heißt das: Die Teilchen zeigen nicht bevorzugt in eine Richtung. Dadurch entstehen Transportwege für Lithium-Ionen in mehrere Richtungen, auch quer durch die Elektrode. Die Anode bekommt eine gleichmäßigere Porenstruktur, eine homogenere Binderverteilung und durchgehende Wege für Ionen und Elektronen.

Forscher streichen PTFE komplett aus der Anode

Besonders wichtig ist der Verzicht auf PTFE. Dieser Kunststoff dient in vielen Trockenprozessen als Binder. Er hält die Bestandteile der Elektrode zusammen. An der Anode herrscht jedoch ein sehr niedriges elektrisches Potenzial von etwa 0,1 Volt gegenüber Lithium/Lithium-Ionen. Unter solchen Bedingungen kann PTFE reduktiv zerfallen. Das kann Kapazität kosten und die Funktion des Binders verschlechtern.

Das neue Verfahren nutzt stattdessen CMC und SBR. Beide Binder sind in klassischen Nassverfahren für Graphitanoden bereits üblich. Nach der Sprühtrocknung entstanden daraus Graphitgranulate. Anschließend ließ sich daraus durch Heißwalzen eine Trockenanode herstellen, ohne PTFE-Fibrillen und ohne zusätzlichen Trocknungsschritt wie bei Nassprozessen.

Trockenprozess spart Energie in der Herstellung

Trockenverfahren gelten in der Batteriebranche als attraktiv, weil sie Lösungsmittel und aufwendige Trocknung reduzieren. In klassischen Elektrodenprozessen kommen häufig organische Lösungsmittel zum Einsatz. Dazu gehört N-Methyl-2-pyrrolidon, kurz NMP. Solche Stoffe treiben Aufwand, Kosten und Umweltbelastung nach oben. Weitere Vorteile sind der geringere Energiebedarf und niedrigere Herstellungskosten, wenn Trocknungsschritte wegfallen.

Für Autobauer und Zellhersteller zählt aber nicht nur die sauberere Produktion. Eine E-Auto-Batterie muss im Alltag hohe Ströme aushalten. Sie soll schnell laden, lange halten und möglichst viel Energie speichern. Die neue Anode erreichte im Versuch eine gleichmäßigere Lithierung als konventionell gegossene Elektroden, vor allem bei dicken Elektroden. Zugleich nennen die Entwickler geringere Polarisation, bessere Lithium-Ionen-Transportkinetik, stärkere Ratenleistung und stabiles Langzeitverhalten bei erhöhter Flächenkapazität. Konkrete Reichweitenkilometer nennt die Studie nicht.

Schnellladen bleibt ein Ziel, kein Serienversprechen

Jihee Yoon vom Korea Institute of Materials Science ordnet den Ansatz entsprechend vorsichtig ein. „Diese Technologie bietet einen neuen Ansatz, der die Grenzen herkömmlicher PTFE-basierter Trockenelektrodenprozesse überwinden kann“, so die leitende Forscherin. Weiter erklärt sie: „Wir erwarten, dass sie sich gut für E-Auto-Batterien der nächsten Generation eignet, die sowohl eine hohe Energiedichte als auch Schnellladeleistung benötigen.“

Damit stützt die Arbeit die Aussicht auf schnelleres Laden und längere Reichweiten. Sie beweist aber noch keinen fertigen Akku, der morgen in ein Serienauto kommt. Der Fortschritt liegt in der Materialarchitektur und im Herstellungsweg. Die Graphitgranulate lösen ein Problem, das bei dicken Anoden besonders stört: Lithium-Ionen kommen nicht überall gleich gut durch. Wenn sich der Ansatz industriell hochskalieren lässt, könnten Batteriezellen mit hoher Beladung robuster werden.

Die Forscher verweisen auf einen Vorteil für die Produktion: Sprühtrocknung gehört bereits zu den etablierten Verfahren in der Pulver- und Elektrodenmaterialherstellung. Auch CMC-SBR ist in der Industrie bekannt. Dadurch wirkt der Weg näher an einer möglichen Fertigung als viele Laborideen, die völlig neue Chemikalien oder exotische Prozessketten brauchen. Finanziert wurde die Arbeit unter anderem durch Programme des koreanischen Wissenschafts- und Handelsministeriums sowie durch den National Research Council of Science & Technology.

Kurz zusammengefasst:

• Die neue Anode für E-Auto-Batterien kommt ohne PTFE aus, einen Kunststoff, der in herkömmlichen Trockenverfahren Probleme an der Anode verursachen kann.
• Speziell geformte Graphitgranulate sollen Lithium-Ionen gleichmäßiger durch dicke Elektroden leiten und damit Schnellladen sowie hohe Energiedichte erleichtern.
• Entwickelt wurde kein fertiger Serienakku, sondern ein Herstellungsverfahren, das künftig mehr Reichweite, kürzere Ladezeiten und eine umweltfreundlichere Batterieproduktion ermöglichen könnte.

Übrigens: Während koreanische Forscher die heutige E-Auto-Batterie mit einer neuen Anode schneller und reichweitenstärker machen wollen, arbeitet Japan bereits am nächsten großen Sprung. Eine Lithium-Luft-Batterie nutzt Sauerstoff als Reaktionspartner und könnte Elektroautos eines Tages Reichweiten wie Benziner bringen – mehr dazu in unserem Artikel.

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