In der Prozesskette der Lithium-Ionen-Zellfertigung nimmt das Kalandrieren eine Schlüsselrolle ein, die in der öffentlichen Diskussion oft hinter spektakuläreren Themen wie Festkörperbatterien oder Gigafactory-Hochläufen zurückbleibt. Dabei bestimmt dieser Verdichtungsschritt unmittelbar, wie gut Aktivmaterial, Leitruß und Binder im Elektrodenfilm zusammenwirken, welche Ionenleitfähigkeit der Separator-Elektroden-Verbund ermöglicht und wie reproduzierbar die Zelle über ihre gesamte Lebensdauer arbeitet. Fehler im Kalandrierprozess lassen sich in nachgelagerten Prozessschritten kaum noch korrigieren.
Der Begriff stammt aus der Papier- und Kunststoffverarbeitung und bezeichnet allgemein das Verdichten oder Glätten einer Bahn zwischen rotierenden Walzen. In der Elektrodenfertigung bedeutet das konkret: Ein auf Aluminium- oder Kupferfolie aufgebrachter und getrockneter Aktivmaterialfilm wird zwischen zwei hochpräzisen Stahlwalzen unter definiertem Liniendruck auf eine Zielporosität und Zieldicke gebracht.
Warum Verdichtung elektrochemisch notwendig ist
Nach dem Trocknungsprozess weist der Elektrodenfilm eine vergleichsweise hohe Porosität von 50 bis 60 Prozent auf. Diese lockere Struktur ist für den späteren Betrieb in der Zelle ungünstig: Der Kontakt zwischen den Aktivmaterialpartikeln und dem Ableiternetz aus Leitruß ist unzureichend, der elektronische Widerstand entsprechend hoch. Zudem würde eine zu poröse Elektrode die Energiedichte der fertigen Zelle erheblich reduzieren, weil pro Volumeneinheit weniger Aktivmaterial vorhanden ist.
Ziel des Kalandrierens ist eine Zielporosität von typischerweise 25 bis 40 Prozent, abhängig von Zellchemie und Anwendungsfall. Hochenergiezellen für Elektrofahrzeuge werden tendenziell stärker verdichtet als Hochleistungszellen für Power-Tools, bei denen schnelle Ionendiffusion wichtiger ist als maximale Energiedichte. Die Porosität muss dabei ausreichend bleiben, damit der flüssige Elektrolyt die Elektrode vollständig durchdringen und Lithium-Ionen transportieren kann.
Walzensysteme: Aufbau und mechanische Anforderungen
Produktionskalander für die Elektrodenfertigung arbeiten mit Hartmetall- oder gehärteten Stahlwalzen, deren Oberfläche auf wenige Mikrometer genau geschliffen ist. Die Geradheit der Walze über ihre gesamte Arbeitsbreite – in der Gigafactory-Praxis oft 800 bis 1.600 Millimeter – ist entscheidend für ein gleichmäßiges Dickenprofil quer zur Laufrichtung. Schon geringfügige Walzendurchbiegungen infolge des Liniendrucks erzeugen ein balligen oder schalenförmigen Dickenverlauf, der in der Elektrode zu lokalen Unterschieden in Porosität und Beschichtungsgewicht führt.
