Die Elektrodenfertigung gilt als einer der kostenintensivsten und energieaufwendigsten Prozessschritte in der gesamten Lithium-Ionen-Batterieproduktion. Sie legt die Grundlage für Kapazität, Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit einer Zelle. Im Zentrum steht die Frage, auf welchem Weg die Aktivmaterialien – bei der Kathode typischerweise lithiumhaltige Übergangsmetalloxide wie NMC, NCA oder LFP, bei der Anode meist Graphit oder Silizium-Graphit-Komposite – gleichmäßig und reproduzierbar auf den Stromableiter aufgebracht werden. Die zwei grundlegenden Prozessrouten sind das konventionelle Nassverfahren (Slurry-Beschichtung) und das zunehmend diskutierte Trockenverfahren (Dry Electrode Coating).
Beide Ansätze unterscheiden sich fundamental in der Prozesskette, den eingesetzten Anlagentechnologien, dem Ressourcenverbrauch und den erzielbaren Elektrodeneigenschaften. Für Ingenieure und Produktionsplaner in Gigafactories ist ein fundiertes Verständnis beider Verfahren unerlässlich, um Investitionsentscheidungen auf Basis technischer und wirtschaftlicher Realitäten zu treffen.
Das Nassverfahren: Etablierter Standard mit hohem Energiebedarf
Beim Nassverfahren werden Aktivmaterial, Leitruß und Binder – bei Kathoden üblicherweise PVDF (Polyvinylidenfluorid) – in einem Lösungsmittel dispergiert. Für Kathodenslurries kommt dabei in aller Regel N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) zum Einsatz, ein organisches Lösungsmittel, das eine homogene Suspension ermöglicht, aber als gesundheitsgefährdend eingestuft ist und ein aufwendiges Rückgewinnungssystem erfordert. Anodenschichten werden typischerweise auf wässriger Basis mit CMC (Carboxymethylcellulose) und SBR (Styrol-Butadien-Kautschuk) als Bindersystem verarbeitet.
Die fertige Slurry wird mittels Schlitzdüsenbeschichtung (Slot-Die-Coating) oder Rakelbeschichtung auf Aluminium- (Kathode) bzw. Kupferfolie (Anode) aufgetragen. Anschließend durchläuft die beschichtete Folie einen Trocknungsofen, der das Lösungsmittel verdampft. Genau hier liegt der Hauptkritikpunkt des Nassverfahrens: Die Trockenstrecken sind mehrere Dutzend Meter lang, benötigen erhebliche thermische Energie und machen bei NMP-basierten Prozessen eine aufwendige Absaug- und Lösungsmittelrückgewinnungsanlage notwendig, die mit hohen Investitions- und Betriebskosten verbunden ist. Dennoch ist das Nassverfahren heute in nahezu allen industriellen Gigafactories der globale Standard, da es über Jahrzehnte optimiert wurde und eine sehr gute Prozesskontrolle sowie Schichtgleichmäßigkeit bietet.
Kalandrieren: Verdichten für Energiedichte und Haftfestigkeit
Unabhängig vom Beschichtungsverfahren schließt sich nach der Trocknung das Kalandrieren an. Bei diesem Prozessschritt wird die beschichtete Elektrode zwischen zwei rotierenden Stahlwalzen unter definiertem Druck verdichtet. Ziel ist eine gezielte Einstellung der Elektrodenporosität: Eine zu hohe Porosität reduziert die volumetrische Energiedichte, eine zu geringe Porosität behindert den Ionentransport im Elektrolyten und erhöht den Innenwiderstand.
