未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)儲(chǔ)能

位于德累斯頓的弗勞恩霍夫材料與梁技術(shù)研究所的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的生產(chǎn)工藝，旨在實(shí)現(xiàn)高效，環(huán)保的未來(lái)電池生產(chǎn)。他們用干膜代替液體化學(xué)品涂覆儲(chǔ)能電池的電極。這種簡(jiǎn)化的過(guò)程可節(jié)省能源并消除有毒溶劑。一家芬蘭公司目前正在成功測(cè)試新的IWS技術(shù)。

越來(lái)越需要更好，更具成本效益的儲(chǔ)能生產(chǎn)方法，特別是在德國(guó)：所有主要的汽車(chē)制造商都推出了雄心勃勃的電動(dòng)汽車(chē)計(jì)劃，以確保電池需求的急劇增長(zhǎng)。到目前為止，德國(guó)公司一直在亞洲為此目的購(gòu)買(mǎi)電池。推動(dòng)這一趨勢(shì)的主要原因有兩個(gè)：亞洲技術(shù)集團(tuán)在電池單元的大規(guī)模生產(chǎn)方面擁有多年的經(jīng)驗(yàn)，并且在這些工藝中消耗了大量能源。因此，在德國(guó)這樣的高電價(jià)地點(diǎn)生產(chǎn)是非常高成本的。

不再使用有毒溶劑 - 降低電力成本

正是這一事實(shí)正是撒克遜弗勞恩霍夫工程師想要改變的：“我們的干轉(zhuǎn)移涂層工藝旨在顯著降低電極涂層的工藝成本，”IWS項(xiàng)目經(jīng)理Benjamin Schumm博士強(qiáng)調(diào)說(shuō)。“制造商可以消除有毒和昂貴的溶劑，并在干燥過(guò)程中節(jié)省能源成本。此外，我們的技術(shù)還有助于使用難以甚至不可能進(jìn)行濕化學(xué)處理的電極材料。”

但是這些材料是未來(lái)具有更高能量密度的電池所需要的。“出于所有這些原因，我們認(rèn)為我們的技術(shù)有助于在德國(guó)和歐洲實(shí)現(xiàn)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的電池生產(chǎn)。”

試點(diǎn)工廠在芬蘭成功啟動(dòng)

Fraunhofer的北歐合作伙伴也看到了這種潛力：芬蘭電池公司“BroadBit Batteries”與IWS一起在其Espoo工廠委托了一個(gè)試驗(yàn)工廠，該工廠用干電極材料涂覆電極而不是濕漿，這在行業(yè)到現(xiàn)在為止。BroadBit用它來(lái)生產(chǎn)新型鈉離子電池。“即使在德國(guó)，對(duì)我們技術(shù)的需求也很高，”Benjamin Schumm說(shuō)。

在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上，IWS已經(jīng)可以以每分鐘幾米的顯著生產(chǎn)速度涂覆電極箔。在這方面，德累斯頓工程師可以展示將技術(shù)轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)規(guī)模的潛力。

經(jīng)典濕化學(xué)的限制

到目前為止，電池生產(chǎn)商大多在復(fù)雜的濕化學(xué)過(guò)程中涂覆電池電極。首先，他們混合活性材料，后來(lái)用于釋放儲(chǔ)存的能量，添加劑以產(chǎn)生糊狀物。在這個(gè)過(guò)程中，他們添加昂貴且通常有毒的有機(jī)溶劑。為了保護(hù)操作人員和環(huán)境，必須采取詳細(xì)的職業(yè)安全和后處理預(yù)防措施。

一旦將糊狀物施加到薄金屬箔上，就開(kāi)始進(jìn)一步昂貴的工藝步驟：數(shù)十米長(zhǎng)的加熱部分干燥涂覆的薄膜，然后才能進(jìn)一步加工。這種干燥過(guò)程通常會(huì)導(dǎo)致高電費(fèi)。

結(jié)合分子形成蜘蛛網(wǎng)

另一方面，用于干電極涂層的新型薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)在沒(méi)有這些生態(tài)破壞和昂貴的工藝步驟的情況下運(yùn)行：IWS工程師將其活性材料與粘合聚合物混合。他們?cè)诜Q為“壓延機(jī)”的軋機(jī)中加工這種干混合物。

該系統(tǒng)中的剪切力將整個(gè)分子鏈從粘合劑聚合物中撕下。這些“原纖維”與蜘蛛網(wǎng)中的電極顆粒連接。這為電極材料提供了穩(wěn)定性。結(jié)果是柔性干電極材料層。在下一步驟中，壓延機(jī)將100微米厚的薄膜直接層壓到鋁箔上，從而形成電池電極。

在去固態(tài)防火電池的路上

“通過(guò)這種方式，我們還能夠?yàn)榻?jīng)典工藝失敗的新一代電池加工材料，”Benjamin Schumm說(shuō)。這些包括，例如，使用硫作為活性材料的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)或使用離子傳導(dǎo)固體代替可燃液體電解質(zhì)的固態(tài)電池。“這些電池能夠以與現(xiàn)有鋰離子電池相同的體積儲(chǔ)存更多的能量，”IWS科學(xué)家表示，未來(lái)將會(huì)如此。“但是，這些固體電解質(zhì)在與溶劑接觸時(shí)會(huì)失去其功能特性。

無(wú)溶劑涂層工藝明顯更適合生產(chǎn)這些存儲(chǔ)介質(zhì)。“在處理所有固態(tài)電池電極的過(guò)程中，研究人員通過(guò)使用極低粘合劑含量的干膜技術(shù)達(dá)到了一個(gè)重要的里程碑。他們最近在ScienceDirect上發(fā)布了他們的結(jié)果。

流程可以取代傳統(tǒng)的粘貼流程

德累斯頓工程師現(xiàn)在的目標(biāo)是與工業(yè)合作伙伴合作，以實(shí)現(xiàn)其突破。例如，在BMBF資助的“DryProTex”項(xiàng)目中，他們與Saueressig，INDEV，Netzsch Trockenmahltechnik和Broad-Bit Batteries公司一起進(jìn)一步開(kāi)發(fā)干轉(zhuǎn)移涂層工藝。

合作伙伴期望電池生產(chǎn)發(fā)生根本變化：“ 從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，該技術(shù)為替代傳統(tǒng)的糊狀電極生產(chǎn)工藝提供了巨大潛力，”Benjamin Schumm總結(jié)道。在DryProTex項(xiàng)目材料中，進(jìn)行工藝和設(shè)備開(kāi)發(fā)，目的是實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模干陰極生產(chǎn)的工藝設(shè)計(jì)。