位于德累斯頓的弗勞恩霍夫材料和射線技術(shù)研究所的研究人員開發(fā)了一種新的生產(chǎn)工藝，旨在實(shí)現(xiàn)未來高效，環(huán)保的電池生產(chǎn)。 他們用干膜代替液體化學(xué)品涂覆儲能電池的電極。 這種簡化的過程可節(jié)省能源并消除有毒溶劑。 一家芬蘭公司目前正在成功測試新的IWS技術(shù)。
越來越多的企業(yè)需要更好，更具成本效益的儲能生產(chǎn)方法，特別是在德國：所有主要的汽車制造商都推出了雄心勃勃的電動汽車計(jì)劃，這確保了電池需求的急劇增長。 到目前為止，德國公司一直在亞洲為此目的購買電池。推動這一趨勢的主要原因有兩個(gè)：亞洲科技集團(tuán)在電池單元的大規(guī)模生產(chǎn)方面擁有多年的經(jīng)驗(yàn)以及這些工藝在生產(chǎn)中消耗了大量的能源。 因此，在德國等電價(jià)較高的地區(qū)生產(chǎn)成本非常高。
這就是電極涂上新的干式轉(zhuǎn)移涂層技術(shù)的樣子。Fraunhofer IWS工藝使電池電極能夠在不使用有毒溶劑的情況下進(jìn)行生產(chǎn)。
不再使用有毒溶劑 - 降低電力成本
正是這一事實(shí)正是撒克遜弗勞恩霍夫工程師想要改變的：“我們的干轉(zhuǎn)移涂層工藝旨在顯著降低電極涂層的工藝成本，”IWS項(xiàng)目經(jīng)理Benjamin Schumm博士強(qiáng)調(diào)說。 “制造商可以不再使用有毒和昂貴的溶劑，并在干燥過程中節(jié)省能源成本。此外，我們的技術(shù)還促進(jìn)了電極材料的使用，以前這些材料很難或甚至不可能進(jìn)行濕化學(xué)處理。”
但是這些材料是未來具有更高能量密度的電池所需要的。“出于所有這些原因，我們認(rèn)為我們的技術(shù)有助于在德國和歐洲實(shí)現(xiàn)具有國際競爭力的電池生產(chǎn)。”
試點(diǎn)工廠在芬蘭成功啟動
弗勞恩霍夫的北歐合作伙伴也看到了這種潛力：芬蘭電池公司“BroadBit Batteries”和IWS已在其埃斯波(Espoo)工廠委托了一家試點(diǎn)工廠，該工廠用干電極材料而不是濕電極糊來涂覆電極，這在目前的行業(yè)中很常見。BroadBit用它來生產(chǎn)新型的鈉離子電池。本杰明?舒姆(Benjamin Schumm)報(bào)告稱:“即使在德國，對我們技術(shù)的需求也很高。”
在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上，IWS已經(jīng)可以以每分鐘幾米的驚人生產(chǎn)速度涂覆電極箔。在這方面，德累斯頓的工程師們可以展示出將這項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)化為大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。
經(jīng)典濕化學(xué)的限制
到目前為止，電池生產(chǎn)商們大多是通過復(fù)雜的濕化學(xué)工藝涂覆電池電極。首先，他們將這些活性物質(zhì)與添加劑混合，制成糊狀。這些活性物質(zhì)的作用是釋放儲存的能量。在這個(gè)過程中，他們添加昂貴且通常有毒的有機(jī)溶劑。為了保護(hù)作業(yè)人員和環(huán)境，必須采取詳細(xì)的職業(yè)安全和后處理預(yù)防措施。
一旦這種糊狀物被應(yīng)用到薄金屬箔上，一個(gè)更昂貴的工藝步驟就開始了：數(shù)十米長的加熱部分用于干燥涂覆的薄膜，然后再進(jìn)行進(jìn)一步加工。這種干燥過程通常會導(dǎo)致很高的電費(fèi)。
結(jié)合分子形成蜘蛛網(wǎng)
另一方面，用于干電極涂層的新型薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)，在操作上沒有這些生態(tài)破壞和昂貴的工藝步驟:IWS工程師將他們的活性材料與結(jié)合聚合物混合。他們在一個(gè)叫做“壓延機(jī)”的軋機(jī)上加工這種干燥的混合物。
該系統(tǒng)中的剪切力將整個(gè)分子鏈從結(jié)合聚合物中撕下。這些“原纖維”與蜘蛛網(wǎng)中的電極顆粒連接，這為電極材料提供了穩(wěn)定性，形成柔性干電極材料層。在下一步驟中，壓延機(jī)將100微米厚的薄膜直接層壓到鋁箔上，從而形成電池電極。
通往固態(tài)防火電池的道路
本杰明?舒姆(Benjamin Schumm)表示:“通過這種方式，我們還能夠?yàn)閭鹘y(tǒng)工藝失效的新一代電池加工材料。”例如，使用硫作為活性物質(zhì)的能量存儲系統(tǒng)或使用離子傳導(dǎo)固體代替可燃液體電解質(zhì)的固態(tài)電池。IWS科學(xué)家展望未來說:“這些電池將能夠在相同體積下儲存比現(xiàn)在鋰離子電池更多的能量。”然而，這些固體電解質(zhì)在與溶劑接觸時(shí)會失去其功能特性。
無溶劑涂層工藝明顯更適合生產(chǎn)這些存儲介質(zhì)。“在處理所有固態(tài)電池電極的過程中，研究人員通過使用極低粘合劑含量的干膜技術(shù)達(dá)到了一個(gè)重要的里程碑。他們最近在ScienceDirect上發(fā)布了他們的結(jié)果。
流程可以取代傳統(tǒng)的粘貼流程
德累斯頓工程師現(xiàn)在的目標(biāo)是與工業(yè)合作伙伴合作，以實(shí)現(xiàn)其突破。例如，在BMBF資助的“DryProTex”項(xiàng)目中，他們與Saueressig，INDEV，Netzsch Trockenmahltechnik和Broad-Bit Batteries公司一起進(jìn)一步開發(fā)干轉(zhuǎn)移涂層工藝。
合作伙伴預(yù)計(jì)電池生產(chǎn)將發(fā)生根本性的變化。本杰明?舒姆(Benjamin Schumm)總結(jié)稱:“從長遠(yuǎn)來看，該技術(shù)為替代傳統(tǒng)的糊狀電極生產(chǎn)工藝提供了巨大潛力。”在DryProTex項(xiàng)目中進(jìn)行了材料、工藝和設(shè)備的開發(fā)，旨在實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模干陰極生產(chǎn)的工藝設(shè)計(jì)。