Nach dem Beschichten und Trocknen der Elektrodenfolien ist das Kalandrieren der nächste zentrale Prozessschritt in der Fertigung von Lithium-Ionen-Zellen. Dabei wird die beschichtete Elektrode zwischen zwei gegenläufigen, hochpräzisen Stahlwalzen verdichtet. Ziel ist es, die zuvor aufgetragene Aktivmasseschicht – bestehend aus Aktivmaterial, Leitruß und Binder – auf eine definierte Porosität und Schichtdicke zu bringen. Obwohl der Prozessschritt mechanisch simpel wirkt, hat er weitreichende Konsequenzen für nahezu alle elektrochemischen und mechanischen Eigenschaften der Elektrode und damit der Zelle.
In der industriellen Gigafactory-Fertigung läuft das Kalandrieren als kontinuierlicher Rolle-zu-Rolle-Prozess (englisch: roll-to-roll). Die Elektrodenrolle wird mit konstanter Bahnspannung durch den Walzenspalt geführt, wobei Bandgeschwindigkeiten von mehreren Dutzend Metern pro Minute keine Seltenheit sind. Toleranzanforderungen an Schichtdicke und Porosität liegen dabei im Mikrometerbereich, was hohe Anforderungen an Walzenpräzision, Temperaturstabilität und Prozessregelung stellt.
Physikalische Grundlagen: Was beim Kalandrieren geschieht
Die Aktivmasseschicht einer frisch beschichteten und getrockneten Elektrode weist eine hohe Porosität auf – typischerweise zwischen 50 und 60 Prozent. Durch den Kalandrierprozess wird diese Porosität auf Zielwerte von etwa 25 bis 40 Prozent reduziert, je nach Zellchemie und Elektrodentyp. Im Walzenspalt wirken Druckkräfte von mehreren Kilonewton pro Zentimeter Walzenbreite. Diese Kräfte verdichten die Partikelstruktur, verformen Leitruß-Agglomerate und erhöhen die Kontaktfläche zwischen den Aktivmaterialpartikeln sowie zwischen Aktivmaterial und Ableitkollektorfolie.
Das Verdichten verbessert die elektronische Leitfähigkeit innerhalb der Elektrodenschicht erheblich, da mehr Partikel-Partikel-Kontaktpunkte entstehen. Gleichzeitig sinkt der ionische Transportwiderstand durch eine homogenere Porenstruktur, sofern die Porosität nicht zu weit abgesenkt wird. Ein zu starkes Kalandrieren hingegen verschließt die Poren, erschwert die Elektrolytbenetzung und verschlechtert die Ionenmobilität – ein klassischer Zielkonflikt, den Prozessingenieure durch sorgfältige Parameterwahl austarieren müssen.
Wesentliche Prozessparameter und ihre Wechselwirkungen
Der Liniendruck zwischen den Walzen ist der dominierende Stellparameter. Er bestimmt unmittelbar den Verdichtungsgrad und wird in Kilonewton pro Meter (kN/m) angegeben. Abhängig vom Aktivmaterial – etwa NMC, LFP oder Graphit – variieren die optimalen Liniendrücke erheblich. Härtere Aktivmaterialpartikel wie Lithiumeisenphosphat erfordern deutlich höhere Drücke als weichere Graphitanoden.
Die Walzentemperatur ist ein zweiter Schlüsselparameter. Erhöhte Temperaturen verbessern die Verformbarkeit des Binders (häufig PVDF oder CMC/SBR) und reduzieren den notwendigen Anpressdruck für eine identische Zieldichte. Gleichzeitig besteht bei zu hohen Temperaturen das Risiko einer thermischen Binderdegradation oder Folienverformung der Kupfer- bzw. Aluminiumkollektor. Typische Walzentemperaturen in der Industriepraxis liegen zwischen Raumtemperatur und etwa 100 Grad Celsius.
Prozessgeschwindigkeit und Bahnspannung beeinflussen die Homogenität der Verdichtung entlang der Bahnrichtung. Bei zu hoher Geschwindigkeit kann die mechanische Relaxation des Materials nach dem Walzenspalt zu einer Dickenschwankung führen – dem sogenannten Springback-Effekt. Dieser muss messtechnisch erfasst und bei der Solldickenregelung kompensiert werden.
Auswirkungen auf elektrochemische Zelleigenschaften
Der Kalandrierprozess beeinflusst direkt die gravimetrische und volumetrische Energiedichte der fertigen Zelle. Eine höhere Elektrodendichte bedeutet bei gleicher Schichtdicke mehr Aktivmaterial pro Fläche, was die volumetrische Kapazität steigert. Gleichzeitig verbessert ein optimierter Kalandrierprozess die Ratenfähigkeit der Elektrode, da die elektronische Leitfähigkeit steigt.
Lebensdauer und Sicherheit werden ebenfalls vom Verdichtungsgrad beeinflusst. Eine zu geringe Porosität kann bei schnellen Ladezyklen zu Lithiumplating auf der Anodenseite führen, da Lithiumionen nicht schnell genug in die Schicht eindiffundieren können. Lithiumplating ist eine der Hauptursachen für vorzeitigen Kapazitätsverlust und in extremen Fällen für sicherheitsrelevante Dendritenbildung. Eine korrekt eingestellte Elektrodenporosität ist daher unmittelbar sicherheitsrelevant.
Typische Fehlerbilder und ihre Ursachen
Zu den häufigsten Defekten nach dem Kalandrieren zählen Dickenvariationen in Längs- und Querrichtung. Querprofilschwankungen entstehen durch Walzendurchbiegung unter Last – ein physikalisch unvermeidliches Phänomen, dem durch Walzenbombierung (vorberechnete konvexe Walzenform) oder aktive Biegekompensationssysteme entgegengewirkt wird. Längsprofilschwankungen deuten häufig auf instabile Bahnspannung oder schwankende Beschichtungsdicke aus dem vorgelagerten Prozessschritt hin.
Rissbildung in der Aktivmasseschicht ist ein weiteres kritisches Fehlerbild, das insbesondere bei zu hohem Liniendruck oder zu trockenen Elektroden auftritt. Mikrorisse erhöhen den Übergangswiderstand und können bei Zellbetrieb zu lokalem Kapazitätsverlust führen. Delamination – die Ablösung der Aktivmasse vom Kollektor – entsteht durch unzureichende Binderhaftung oder durch falsch eingestellte Walzenparameter und ist in der Inlineprüfung durch optische oder taktile Messverfahren detektierbar.
Messtechnik und Qualitätssicherung im Kalandrierprozess
Für die Inline-Qualitätssicherung kommen in modernen Fertigungslinien berührungslose Dickenmesssysteme auf Basis von Laserprofilometrie oder Röntgenfluoreszenz zum Einsatz. Diese erfassen Schichtdicke und Flächengewicht der Elektrode mit hoher Abtastrate und ermöglichen eine Regelung in Echtzeit. Die Messung des Flächengewichts (Coating Weight) vor und nach dem Kalandrieren erlaubt eine Berechnung der tatsächlichen Elektrodendichte und Porosität.
Ergänzend werden Proben aus laufender Produktion für Labormessungen entnommen. Porosität, Haftfestigkeit (Peeltest) und elektrischer Schichtwiderstand zählen dabei zu den Standardkenngrößen, die in der Prozesskontrolle überwacht werden. Die Korrelation dieser Laborwerte mit den Inline-Messdaten ist Grundlage für eine statistische Prozesskontrolle (SPC) und bildet die Datenbasis für die Prozessoptimierung.
Praxisrelevanz und Entwicklungstrends
Mit der Skalierung der Batterieproduktion auf Gigafactory-Niveau wächst der Druck, Kalandrierprozesse schneller, präziser und reproduzierbarer zu gestalten. Breitere Elektroden – Tendenzen gehen in Richtung über einen Meter Bahnbreite – erhöhen die Anforderungen an Walzengeometrie und Kompensationssysteme erheblich. Gleichzeitig erfordern neue Elektrodenmaterialien wie siliziumhaltige Anoden oder Festkörperelektrolyten angepasste Prozessfenster, da deren mechanische Eigenschaften grundlegend von konventionellen Graphitanoden oder flüssigen Elektrolytsystemen abweichen.
Digitale Prozesskopplungen, bei denen Kalandrierdaten direkt mit Zellformierungs- und Zyklierdaten verknüpft werden, gewinnen in der Forschung und ersten Industrie-pilotlinien an Bedeutung. Sie ermöglichen es, Zusammenhänge zwischen Elektrodenstruktur und elektrochemischer Performance systematisch zu quantifizieren und Prozessparameter datengetrieben zu optimieren. Das Kalandrieren bleibt damit ein Prozessschritt, der trotz seiner scheinbaren Einfachheit erhebliches Potenzial für Effizienz- und Qualitätssteigerungen in der gesamten Batteriezellfertigung birgt.
