Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour la technologie des matériaux et des faisceaux IWS à Dresde ont développé un nouveau processus de production dans le but d'une future production de batteries efficace et respectueuse de l'environnement. Ils recouvrent les électrodes des cellules de stockage d'énergie d'un film sec au lieu de produits chimiques liquides. Ce procédé simplifié économise de l'énergie et élimine les solvants toxiques. Une entreprise finlandaise teste actuellement avec succès la nouvelle technologie IWS dans la pratique.

Des méthodes de production meilleures et plus rentables pour le stockage d'énergie sont de plus en plus demandées, notamment en Allemagne :Tous les grands constructeurs automobiles ont lancé des programmes ambitieux de véhicules électriques qui assureront une forte hausse de la demande de batteries. Jusque là, Des entreprises allemandes ont acheté les cellules à cet effet en Asie. Il y a deux raisons principales à cette tendance :les groupes technologiques asiatiques ont de nombreuses années d'expérience dans la production de masse de cellules de batterie et beaucoup d'énergie est consommée dans ces processus. Production sur des sites à prix d'électricité élevés, comme l'Allemagne, est, donc, coût très élevé.

Finis les solvants toxiques, baisse des coûts d'électricité

C'est exactement ce fait que les ingénieurs de Saxon Fraunhofer veulent changer :« Notre procédé de revêtement par transfert à sec vise à réduire sensiblement les coûts de processus de revêtement d'électrodes, " souligne le chef de projet IWS, le Dr Benjamin Schumm. " Les fabricants peuvent éliminer les solvants toxiques et coûteux et économiser sur les coûts énergétiques lors du séchage. En outre, notre technologie facilite également l'utilisation de matériaux d'électrodes difficiles, voire impossibles, à traiter par voie humide."

Mais ces matériaux sont nécessaires pour les futures batteries à plus haute densité énergétique. "Pour toutes ces raisons, nous pensons que notre technologie peut aider à réaliser une production de cellules de batterie compétitive au niveau international en Allemagne et en Europe. »

Une usine pilote a démarré avec succès en Finlande

Ce potentiel est également perçu par les partenaires nordiques de Fraunhofer :l'entreprise finlandaise de batteries "BroadBit Batteries, " avec IWS, a mis en service une usine pilote dans son usine d'Espoo, qui enrobe les électrodes avec un matériau d'électrode sec au lieu de pâtes humides, comme cela a été courant dans l'industrie jusqu'à présent. BroadBit l'utilise pour produire de nouveaux types de batteries sodium-ion. « La demande pour notre technologie est élevée, même en Allemagne, " rapporte Benjamin Schumm.

A l'échelle du laboratoire, l'IWS peut déjà revêtir une feuille d'électrode avec une vitesse de production remarquable de plusieurs mètres par minute. À cet égard, les ingénieurs de Dresde peuvent montrer le potentiel de transfert de la technologie à l'échelle de la production.

Limites de la chimie humide classique

Jusqu'à maintenant, les producteurs de cellules ont pour la plupart revêtu leurs électrodes de batterie dans un processus chimique humide complexe. D'abord, ils mélangent les matières actives, destiné plus tard à libérer l'énergie stockée, avec des additifs pour créer une pâte. Dans ce processus, ils ajoutent des solvants organiques, qui sont chers et généralement toxiques. Afin de protéger les opérateurs et l'environnement, des précautions élaborées pour la sécurité au travail et le retraitement sont nécessaires.

Une fois la pâte appliquée sur de fines feuilles métalliques, une autre étape de processus coûteuse commence :des dizaines de sections de chauffage de long sèchent les films enduits avant qu'ils ne puissent être traités davantage. Cette procédure de séchage entraîne généralement des coûts d'électricité élevés.

Les molécules de liaison forment une toile d'araignée

La nouvelle technologie de transfert de film pour le revêtement d'électrodes sèches, d'autre part, fonctionne sans ces étapes de processus écologiquement dommageables et coûteuses :les ingénieurs d'IWS mélangent leur matière active avec des polymères liants. Ils traitent ce mélange sec dans un laminoir appelé « calandre ».

Les forces de cisaillement dans ce système arrachent des chaînes moléculaires entières des polymères liants. Ces "fibrilles" se joignent aux particules d'électrode comme dans une toile d'araignée. Cela confère au matériau de l'électrode une stabilité. Le résultat est une couche de matériau d'électrode sèche flexible. A l'étape suivante, la calandre contrecolle le film de 100 micromètres d'épaisseur directement sur une feuille d'aluminium, créant ainsi l'électrode de la batterie.

En route vers la batterie ignifuge à semi-conducteurs

"De cette façon, nous sommes également en mesure de traiter des matériaux pour les nouvelles générations de batteries là où les processus classiques échouent, " dit Benjamin Schumm. Il s'agit notamment de, par exemple, les systèmes de stockage d'énergie qui utilisent le soufre comme matière active ou les batteries à l'état solide qui utilisent des solides conducteurs d'ions au lieu d'électrolytes liquides inflammables. "Ces batteries pourront stocker plus d'énergie dans le même volume que les batteries lithium-ion actuelles, " dit le scientifique de l'IWS dans une perspective d'avenir. " Cependant, ces électrolytes solides peuvent perdre leurs propriétés fonctionnelles au contact des solvants.

Un procédé de revêtement sans solvant est nettement mieux qualifié pour produire ces supports de stockage. » En ce qui concerne le traitement des électrodes pour toutes les batteries à l'état solide, les chercheurs ont franchi une étape importante en appliquant leur technologie de film sec en utilisant des teneurs en liant extrêmement faibles. Ils ont récemment ont publié leurs résultats dans ScienceDirect.

Le processus pourrait remplacer les processus de pâte classiques

Les ingénieurs de Dresde visent désormais à améliorer leur technologie en coopération avec des partenaires industriels afin de réaliser sa percée. Dans le projet "DryProTex" financé par le BMBF, par exemple, ils poursuivent le développement du procédé de revêtement par transfert à sec avec les sociétés Saueressig, INDEV, Netzsch Trockenmahltechnik et batteries Broad-Bit.

Les partenaires s'attendent à un changement fondamental dans la production de batteries :« La technologie offre un grand potentiel pour remplacer les processus conventionnels de production d'électrodes à base de pâte à long terme, " conclut Benjamin Schumm. Dans le dossier du projet DryProTex, les développements de processus et d'équipements sont menés dans le but de réaliser la conception de processus pour la production de cathode sèche à l'échelle industrielle.