Vom „Schlüsselklebstoff“ zum „herausgeforderten“ Material: Die Entwicklung der Rolle von PTFE im Wettlauf um Festkörperbatterien

In der Werkstatt zur Batterieherstellung werden unter dem tiefen Dröhnen der Walzenpresse Schichten ultradünner Festelektrolytmembranen präzise zu Rollen gewickelt, wodurch Elektrofahrzeuge die doppelte Energiedichte herkömmlicher Batterien erhalten.

Im Juni dieses Jahres validierten Ingenieure in der von Samsung in seinem Werk in Cheonan, Südkorea, errichteten Pilotproduktionslinie ein neues Batterieherstellungsverfahren, das auf … basiert. Polytetrafluorethylen (PTFE) Trockenelektrodentechnologie.

Bei dieser Technologie wird PTFE als Kernbindemittel verwendet, um Elektrodenfolien herzustellen, die die Schichtstruktur des aktiven Materials durch einen Fibroseprozess stützen.

Mit der beschleunigten globalen Industrialisierung von Festkörperbatterien ist PTFE – ein Polymer, das häufig im industriellen Bereich vorkommt – trotz seines bisher wenig bekannten Status zu einem Schlüsselmaterial im Wettlauf um Festkörperbatterien geworden.

01 Technologische Innovation

Bei der traditionellen Nassverfahrensherstellung von Batterien erfordert die Herstellung der Suspension eine große Menge an organischen Lösungsmitteln, während der Sulfidelektrolyt in Festkörperbatterien mit diesen Lösungsmitteln sehr reaktiv ist.

Das Trockenverfahren ist völlig anders; es verwendet keine Lösungsmittel bei der Herstellung von Kompositkathoden- und Elektrolytfilmen und ist daher eine wichtige Lösung für dieses Problem.

PTFE ist aufgrund seiner einzigartigen physikalischen Eigenschaften der bevorzugte Klebstoff für Trockenprozesse. Unter Druck- und Scherkräften bildet PTFE eine Faserstruktur. Diese Fasern verflechten sich zu einem geschichteten Netzwerk, das das aktive Material und das leitfähige Mittel trägt.

Durch diesen „Fibrillierungsprozess“ lässt sich das Elektrodenmaterial gleichmäßig verteilen und bildet eine robuste Dünnschichtstruktur. Diese Eigenschaft macht PTFE bei der Herstellung von Trockenelektroden für Festkörperbatterien unersetzlich.

02 Mängel werden deutlich

Mit der Entwicklung der Festkörperbatterietechnologie sind die Grenzen von PTFE immer deutlicher geworden. Als isolierendes Polymer kann es nicht aktiv am Lithiumionenleitungsprozess teilnehmen, was einen erheblichen Nachteil beim Streben nach leistungsfähigeren Festkörperbatterien darstellt.

Darüber hinaus bietet PTFE nur eine begrenzte Grenzflächenhaftung, wodurch nicht gewährleistet werden kann, dass die aktiven Materialien, der Festelektrolyt und der leitfähige Kohlenstoff jederzeit einen guten Grenzflächenkontakt aufrechterhalten, was die Langzeit-Zyklenstabilität der Batterie beeinträchtigt.

Bei ultradünnen Elektrolytmembranen mit einer Dicke von nur 25-35 Mikrometern sind die mechanischen Eigenschaften des Materials von entscheidender Bedeutung, und es besteht noch Raum für Verbesserungen hinsichtlich der Flexibilität und Spannungsverteilung von Elektrolyt-Kompositmembranen aus PTFE.

03 Verbesserung und Durchbruch

Angesichts der Einschränkungen von PTFE, Globale Forschungsteams erforschen Verbesserungs- und alternative Lösungen. Forscher einer Universität in Südkorea haben versucht, ein Lithiumionen-leitfähiges Polymer als Bindemittel zu verwenden, nämlich Lithium-Poly(tetrafluorethylen-co-perfluor(3-oxo-4-pentensulfonsäure))-Salz.

Dieses Material vereint die technologischen Vorteile von PTFE mit seiner Lithiumionenleitfähigkeit und gewährleistet so einen guten Grenzflächenkontakt zwischen den Komponenten der Kompositkathode bei gleichzeitiger Förderung des Lithiumionentransports.

Das Forschungsteam der Chinesischen Akademie der Wissenschaften verfolgte einen anderen innovativen Ansatz. Sie nutzten die Schmelzklebetechnologie, um niedrigviskoses thermoplastisches Polyamid (TPA) mit Sulfidelektrolyten zu vermischen und so ein polymerdurchlässiges Netzwerk zu erzeugen.

Die Dicke der mit dieser Methode hergestellten ultradünnen Sulfid-Festelektrolytmembran kann auf unter 25 Mikrometer eingestellt werden, während sie gleichzeitig eine ausgezeichnete Flexibilität und Ionenleitfähigkeit (2,1 mS/cm) aufweist.

04 Alternative Erkundung

TPA weist gegenüber PTFE mehrere Vorteile auf. Durch Heißpressen wurde TPA zwischen die Sulfidpartikel hindurchgeleitet, wodurch das Forschungsteam ein vollständiges Polymerperkolationsnetzwerk schuf.

Diese Struktur ermöglicht nicht nur die Bildung ultradünner Schichten, sondern verteilt auch effektiv ungleichmäßige innere Spannungen, die während des Batteriebetriebs entstehen, wodurch das Risiko eines mechanischen Versagens verringert wird.

In der Praxis zeigen Festkörperbatterien auf Basis der TPA-Schmelzbondierungstechnologie eine hervorragende Zyklenstabilität. Vollzellen mit Reinsiliziumanoden erreichen 2000 Ladezyklen, und selbst nach 9200 Stunden und 1400 Zyklen unter Volllastbedingungen liegt die Flächenkapazität noch über 2,5 mAh·cm⁻².

Bei einer Erhöhung der Kathodenmaterialbeladung auf 53,1 mg·cm-2 übersteigt die Energiedichte der Batterie 390 Wh/kg und 1020 Wh/L.

05 Branchentrends

Globale Batterieunternehmen haben die Industrialisierung von Festkörperbatterien aktiv vorangetrieben. Samsung hat sich für die PTFE-Trockenelektrodentechnologie entschieden, um als Wettbewerbsstrategie die Herstellungskosten zu senken und die Massenproduktionsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Das Unternehmen ist überzeugt, dass dieses Verfahren kürzere Produktionszyklen, vereinfachte Anlagen und dickere Schichten ermöglicht und arbeitet kontinuierlich an der Verbesserung der Serienfertigung. Branchengrößen wie Tesla, BYD, CATL und LG New Energy setzen ebenfalls aktiv auf die Trockenelektrodentechnologie.

Chinesische Anlagenbauer haben das Festkörperverfahren der dritten Generation zur Trockenrührfaserisierung und Trockenfilmbildung auf den Markt gebracht und erfolgreich Anlagen zur Festelektrodenbeschichtung an führende Kunden geliefert.

Branchenprognosen zufolge wird die Festkörperbatterieindustrie von der zweiten Hälfte des Jahres 2025 bis zur ersten Hälfte des Jahres 2026 in eine kritische Phase der Pilotlinienbereitstellung eintreten, und die Massenproduktion in kleinem Maßstab sowie der Einbau in Fahrzeuge werden voraussichtlich im Jahr 2027 beginnen.

Während Samsung die Validierung seines PTFE-basierten Trockenverfahrens in seiner Pilotproduktionslinie fortsetzte, entdeckten Forscher eines deutschen Batterielabors, dass Festkörperbatterien, die Polyamid anstelle von PTFE verwendeten, nach einem Nagelpenetrationstest lediglich einen Anstieg der Oberflächentemperatur um 3,2 Grad Celsius aufwiesen. Die

Laut Branchenangaben haben weltweit mindestens sieben große Gerätehersteller spezielle Gerätelösungen für Trockenelektroden in Festkörperbatterien auf den Markt gebracht.

Festkörperbatterien haben eine Energiedichte von über 600 Wh/kg erreicht, was bedeutet, dass Elektrofahrzeuge, die mit solchen Batterien ausgestattet sind, problemlos eine Reichweite von über 1.000 Kilometern erzielen könnten.