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弗劳恩霍夫开发新型电池生产工艺

2019-06-05

  位于德累斯顿弗劳恩霍夫材料和射线技术研究所的研究人员开发了一种新的生产工艺,旨在实现未来高效,环保的电池生产。 他们用干膜代替液体化学品涂覆储能电池的电极。 这种简化的过程可节省能源并消除有毒溶剂。 一家芬兰公司目前正在成功测试新的IWS技术。

  越来越多的企业需要更好,更具成本效益的储能生产方法,特别是在德国:所有主要的汽车制造商都推出了雄心勃勃的电动汽车计划,这确保了电池需求的?#26412;?#22686;长。 到目前为止,德国公司一直在亚洲为此目的购买电池。推动这一趋势的主要原因有两个:亚洲科技集团在电池单元的大规模生产方面拥有多年的经验以及这些工艺在生产中消耗了大量的能源。 因此,在德国等电价较高的地区生产成本非常高。

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  这就是电极涂上新的干式转移涂层技术的样子。Fraunhofer IWS工艺使电池电极能够在不使用有毒溶剂的情况下进行生产。

  不再使用有毒溶剂 - 降低电力成本

  正是这一事实正是撒克逊弗劳恩霍夫工程师想要改变的:“我们的干转移涂层工艺旨在显着降低电极涂层的工艺成本,”IWS项目经理Benjamin Schumm博士强调说。 “制造商可以不再使用有毒和昂贵的溶剂,并在干燥过程中节省能源成本。此外,我们的技术还促进了电极材料的使用,以前这些材料很难或甚至不可能进行湿化学处理。”

  但是这些材料是未来具有更高能量密度的电池所需要的。“出于所有这些原因,我们认为我们的技术有助于在德国和?#20998;?#23454;现具有国际竞争力的电池生产。”

  试点工厂在芬兰成功启动

  弗劳恩霍夫的北欧合作伙伴也看到了这种潜力:芬兰电池公司“BroadBit Batteries”和IWS已在其埃斯波(Espoo)工厂委托了一家试点工厂,该工厂用干电极材料而不是湿电极糊来涂覆电极,这在目前的行业中很常见。BroadBit用它来生产新型的钠离子电池。本杰明?舒姆(Benjamin Schumm)报告称:“?#35789;?#22312;德国,对我们技术的需求也很高。”

  在实验室规模上,IWS已经可以以每?#31181;蛹该?#30340;惊人生产速度涂覆电极箔。在这方面,德累斯顿的工程师们可以展示出将这项技术转化为大规模生产的潜力。

  经典湿化学的限制

  到目前为止,电池生产商们大多是通过复杂的湿化学工艺涂覆电池电极。首先,他们将这些活性物质与添加剂混合,制成糊状。这些活性物质的作用是释放储存的能量。在这个过程中,他们添加昂贵且通常有毒的有机溶剂。为了保护作业人员和环?#24120;?#24517;须采取详细的职业安全和后处理预?#26469;?#26045;。

  一旦这种糊状物被应用到薄金属箔上,一个更昂贵的工艺步骤就开始了:数十米长的加热部分用于干燥涂覆的薄膜,然后再进行进一步加工。这种干燥过程通常会导致很高的电费。

  结合分子形成蜘蛛网

  另一方面,用于干电极涂层的新型薄膜转移技术,在操作上没有这些生态破坏和昂贵的工艺步骤:IWS工程师将他们的活性材料与结合聚合物混合。他们在一个叫做“压延机”的轧机上加工这种干燥的混合物。

  该?#20302;?#20013;的剪切力将整个分子?#21019;?#32467;合聚合物中撕下。这些“原纤维”与蜘蛛网中的电极颗粒连接,这为电极材料提供了稳定性,形成柔性干电极材料层。在下一步骤中,压延机将100微米厚的薄膜直?#30828;?#21387;到铝箔上,从而形成电池电极。

  通往固态防火电池的道路

  本杰明?舒姆(Benjamin Schumm)表示:“通过这种方式,我们还能够为传统工艺失效的新一代电池加工材料。”例如,使用硫作为活性物质的能量存储?#20302;?#25110;使用离子传导固体代替可燃液体电解质的固态电池。IWS科学?#33402;?#26395;未来说:“这些电池将能够在相同体积下储存比现在锂离子电池更多的能量。”然而,这些固体电解质在与溶剂接触时会失去其功能特性。

  无溶剂涂层工艺明显更适合生产这些存储介?#30465;!?#22312;处理所有固态电池电极的过程中,研究人员通过使用极低粘合剂含量的干膜技术达到了一个重要的里程碑。他们最近在ScienceDirect上发布了他们的结果。

  流程可以取代传统的?#31243;?#27969;程

  德累斯顿工程师现在的目标是与工业合作伙伴合作,以实现其突破。例如,在BMBF资助的“DryProTex”项目中,他们与Saueressig,INDEV,Netzsch Trockenmahltechnik和Broad-Bit Batteries公司一起进一步开发干转移涂层工艺。

  合作伙伴预计电池生产将发生根本性的变化。本杰明?舒姆(Benjamin Schumm)总结称:“从长远来看,该技术为替代传统的糊状电极生产工艺提供了巨大潜力。”在DryProTex项目中进行了材料、工艺和设备的开发,旨在实现工业规模干阴极生产的工艺设计。


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