Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS und das Industrial Technology Research Institute (ITRI) aus Taiwan erarbeiten im Forschungsprojekt FREDY neue Ansätze für die Trockenbeschichtung von Batterieelektroden. Das Projekt entwickelt fluorfreie Binder als Alternative zu bisher üblichen PTFE-basierten Systemen und optimiert Aktivmaterialien durch Atomic Layer Deposition.
Das Projekt verbindet Material-, Prozess- und Anlagenentwicklung in einem integrierten Ansatz. Ziel ist eine skalierbare Elektrodenfertigung ohne per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) bei gleichzeitig verbesserter elektrochemischer Leistungsfähigkeit. Die Laufzeit reicht von September 2025 bis August 2028.
Trockenbeschichtung als Alternative zur lösungsmittelbasierten Elektrodenfertigung
Die Herstellung von Batterieelektroden gehört zu den energie- und kostenintensivsten Prozessschritten in der Zellproduktion. Konventionelle Nassbeschichtungsverfahren setzen Lösungsmittel ein, die in aufwendigen Trocknungs- und Rückgewinnungsprozessen behandelt werden müssen. Das erfordert großformatige Anlagen, hohe Betriebstemperaturen und einen erheblichen Energieaufwand.
Die Trockenbeschichtung verzichtet auf diese Lösungsmittel und reduziert damit sowohl den Energiebedarf als auch die Komplexität der Prozesskette. Gleichzeitig stellt sie höhere Anforderungen an die eingesetzten Materialien: Binder, Additive und Aktivmaterialien müssen mechanische Stabilität, elektrische Leitfähigkeit und eine gleichmäßige Schichtbildung auch ohne flüssige Phase gewährleisten. Ob sich die Trockenbeschichtung in großem Maßstab industriell durchsetzt, hängt wesentlich davon ab, ob geeignete Materialsysteme und integrierte Prozesskonzepte verfügbar sind.
Fluorfreie Binder ersetzen PTFE in der Trockenbeschichtung
Aktuelle Trockenbeschichtungsverfahren stützen sich häufig auf Binder aus Polytetrafluorethylen (PTFE), dessen Herstellung auf PFAS basiert. Diese Stoffe sind persistent, reichern sich in Umwelt und Organismen an und werden durch regulatorische Initiativen in Europa zunehmend eingeschränkt.
Im Projekt FREDY entwickelt das Fraunhofer IWS fluorfreie Polymerzusammensetzungen, die die Funktion von PTFE mit vergleichbarer oder verbesserter Verarbeitbarkeit übernehmen sollen. Das Institut bringt dafür seine Technologie DRYtraec® ein und erweitert sie um neue Materialsysteme. „Wir verknüpfen Materialentwicklung direkt mit Prozess- und Anlagenkonzepten und beschleunigen so den Transfer in industrielle Anwendungen“, sagt Dr. Benjamin Schumm, Abteilungsleiter Partikeltechnik am Fraunhofer IWS. Fluorfreie Binder müssen dabei mechanische Festigkeit, Leitfähigkeit und Prozessierbarkeit im Trockenverfahren gleichermaßen sicherstellen.
Aktivmaterialoptimierung durch Atomic Layer Deposition
Parallel zur Binderentwicklung optimiert das Projektteam die Aktivmaterialien. ITRI setzt dafür die Atomic-Layer-Deposition-Technologie ein, um definierte Beschichtungen auf Partikeloberflächen aufzubringen. Diese sogenannten Core-Shell-Strukturen erhöhen die elektrochemische Stabilität der Partikel und verbessern die Gesamtleistungsfähigkeit der Zellen.
Die Kompetenzen beider Einrichtungen ergänzen sich dabei gezielt: ITRI bringt seine Expertise in der Entwicklung solcher Partikelsysteme ein, das Fraunhofer IWS die Prozessseite der Trockenbeschichtung. Die enge Verzahnung von Material-, Prozess- und Anlagenentwicklung soll Entwicklungszyklen verkürzen und die Überführung in industrielle Fertigung erleichtern. Das Projekt richtet sich an Materialhersteller, Anlagenbauer und Zellproduzenten; die Finanzierung erfolgt über das Fraunhofer-Programm ICON auf deutscher Seite, ITRI trägt seine Projektanteile aus eigenen Mitteln.
