Biobasierte Bindemittel für Lithium-Ionen-Batterien (BeBAT)

Hintergrund und Zielsetzung

Lithium-Ionen-Batterien sind aus vielen Bereichen unseres Lebens nicht mehr wegzudenken. Bei ihrer Herstellung werden üblicherweise Aktivmaterialien, die zusammen mit Lithium-Ionen für die elektrochemische Energiespeicherung verantwortlich sind, mit einem Bindemittel und einem Lösungsmittel zu einem flüssigen, pastösen Gemisch verarbeitet. Dieser sogenannte Slurry wird anschließend auf die Kupfer- und Aluminiumfolien aufgebracht und getrocknet. Sie bilden die Elektroden, die beiden wichtigsten Bestandteile von Batterien.

Das aktuell für Kupferfolien verwendete Bindemittel basiert auf dem sehr stabilen Kunststoff Polyvinylidenfluorid. Er lässt sich nur in wenigen Lösungsmitteln lösen, ist sehr teuer und zeigt trotzdem mechanische Nachteile in der Anwendung. Besonders problematisch ist jedoch das zurzeit eingesetzte Lösungsmittel, N-Methyl-2-pyrrolidon. Es hat reproduktionstoxische Wirkung und wird von der European Chemicals Agency als besonders besorgniserregend eingestuft. Aus Gründen der Arbeitssicherheit und des Umweltschutzes müssen daher bei seiner Verwendung sehr hohe Auflagen bei der Elektrodentrocknung und dem Recycling erfüllt werden.

Unser Projektvorhaben zielt darauf ab, ein alternatives, biobasiertes Bindemittel für Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln. Dazu synthetisieren wir biobasierte Epoxidharze, die unbedenkliche oder keine Lösungsmittel erfordern, um gleichzeitig die Funktionalität, Sicherheit und Umweltverträglichkeit von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen. Die Ausgangsstoffe für die biobasierten Binder müssen sorgfältig gewählt werden. Eine Herausforderung liegt darin, die Rohstoffe so zu wählen und zu modifizieren, dass die nachfolgenden Produktionsschritte und die Leistungsfähigkeit der Batterie nicht beeinträchtigt werden.

Vorgehensweise

Als Ausgangsverbindungen werden ungesättigte biobasierte Verbindungen, z.B. Fette und Öle, eingesetzt und speziell für die Anwendung als Epoxid-Bindemittel für Elektrodenmaterial modifiziert. Optimiert werden das Reaktionsverhalten, das Abbindeverhalten und die chemische, mechanische und elektrische Stabilität. Basierend auf den Ergebnissen verarbeiten wir ausgewählte Bindemittelsysteme im Präindustriemaßstab zu Elektrodenfolien und testen diese auf ihre Eignung.

Ergebnisse

Die entwickelten Epoxidsysteme wurden in Kooperation mit den Verbundpartnern hinsichtlich ihrer Eignung als Bindemittel für die Batterieherstellung untersucht. Auf Grundlage der Ergebnisse wurden die vielversprechendsten Systeme genauer untersucht und optimiert. Ein biobasiertes Bindersystem zeigte gute thermische und mechanische Stabilität sowie die erforderliche chemische Beständigkeit gegenüber der Elektrolytflüssigkeit.
Die Elastizität des Epoxidharzes übertrifft diejenige des Referenzsystems PVdF. Es ist kompatibel mit den gewählten Aktivmaterialien und erreicht mit Lösemitteleinsatz die gewünschte Viskosität. Zusätzlich ist es möglich mittels Zugabe eines Reaktivverdünners die Viskosität weiter zu senken und so den Einsatz von Lösemitteleinsatz zu minimieren.