Droge extrusie: batterijen maken zonder giftig oplosmiddel
Stel je voor dat je pannenkoeken bakt door eerst een vloeibaar beslag te maken, dat vervolgens minutenlang te bakken tot al het vocht is verdampt. Dat is grofweg hoe de meeste batterij-elektroden vandaag worden gemaakt: een papperig mengsel wordt op een metalen folie gesmeerd en daarna door een oven van tientallen meters lang gestuurd om de vloeistof eruit te branden. Droge extrusie is de poging om die pannenkoek voortaan als droog deeg te kneden en direct tot een dun vel te persen, zonder ooit vloeistof toe te voegen die er later weer uit moet.
De term duikt op in het nieuws omdat autofabrikanten en batterijmakers zoeken naar manieren om batterijen goedkoper, sneller en schoner te produceren. Droge extrusie belooft precies dat: fabrieken die minder energie verbruiken, minder giftige chemicaliën gebruiken en minder ruimte innemen. Het klinkt eenvoudig, maar het droog verwerken van poeders tot een gelijkmatig, sterk vel materiaal blijkt in de praktijk een van de lastigste technische puzzels in de huidige batterij-industrie.
Wat is het precies?
Een batterij-elektrode (de positieve of negatieve laag in een batterijcel) bestaat uit drie hoofdingrediënten: het actieve materiaal dat de energie opslaat (bijvoorbeeld grafiet of lithium-metaaloxiden), een geleidend additief dat elektriciteit door de laag helpt stromen, en een bindmiddel dat alles bij elkaar houdt.
In het klassieke, "natte" proces worden deze ingrediënten gemengd met een oplosmiddel — meestal het chemische middel NMP (N-methylpyrrolidon) voor de positieve elektrode — tot een vloeibare brij. Die brij wordt met een soort mes (een coater) dun uitgesmeerd over een metalen folie van koper of aluminium. Daarna moet de laag door een lange droogoven om al het oplosmiddel te laten verdampen. Dat verdampte NMP is giftig en kostbaar, dus wordt het weer opgevangen en gezuiverd voor hergebruik — een proces dat op zich alweer extra apparatuur en energie vraagt.
Bij droge extrusie slaat men de vloeistofstap helemaal over. Het bindmiddel is dan meestal PTFE, hetzelfde materiaal als in antiaanbaklagen van koekenpannen (beter bekend onder de merknaam teflon). Door het PTFE-poeder samen met de andere ingrediënten mechanisch te kneden — met schuifkrachten, vergelijkbaar met het rekken van deeg — "fibrilleert" het bindmiddel: het vormt een web van microscopisch dunne draadjes dat de andere deeltjes als een soort spinnenweb bij elkaar houdt. Het resultaat is een droog, zelfdragend vel materiaal dat vervolgens met verwarmde rollen (een proces dat calenderen heet) op de metalen folie wordt geperst, of direct als film wordt geëxtrudeerd, ongeveer zoals je deeg door een pastamachine haalt.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is geld. Een droogoven van tientallen meters kost veel energie, neemt veel fabrieksruimte in beslag en vertraagt de productielijn, omdat het drogen simpelweg tijd kost. Schattingen van batterijbedrijven en onderzoekers spreken over productielijnen die door het wegvallen van de droogstap aanzienlijk korter en compacter kunnen worden, met een navenante besparing op investeringskosten voor nieuwe fabrieken.
Daarnaast speelt veiligheid en milieu een rol. NMP staat te boek als stof die schadelijk kan zijn voor de voortplanting en moet met strikte voorzorgsmaatregelen worden gebruikt. Een proces zonder dit oplosmiddel is voor fabrieksmedewerkers prettiger en voor toezichthouders eenvoudiger te vergunnen.
Tot slot hopen ontwikkelaars dat droge elektroden dikker en dichter gemaakt kunnen worden dan met de natte methode mogelijk is, omdat er geen risico is dat een dikke natte laag scheurt tijdens het drogen. Dikkere elektroden kunnen in theorie leiden tot batterijen met meer energie-inhoud per kilogram, al is dit voordeel in de praktijk nog niet overtuigend aangetoond voor complete producten.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste voorbeeld is Tesla. Het bedrijf nam in 2019 het Amerikaanse Maxwell Technologies over, dat droge-elektrodetechnologie had ontwikkeld voor supercondensatoren. Tijdens het veelbesproken "Battery Day" in september 2020 presenteerde Tesla de droge elektrode als een van de pijlers onder zijn nieuwe 4680-batterijcel, met de belofte van veel lagere productiekosten per kilowattuur.
LiCAP Technologies, een Amerikaanse start-up die voortkomt uit vroeger onderzoek van Maxwell, bouwt en verkoopt apparatuur voor droge elektrodecoating aan andere batterijbedrijven en onderzoeksinstellingen.
AM Batteries, eveneens gevestigd in de Verenigde Staten, ontwikkelt een solventvrij coatingproces voor zowel de positieve als de negatieve elektrode en werkt samen met verschillende Amerikaanse onderzoeksprogramma's op dit gebied.
In Duitsland onderzoeken Fraunhofer-instituten, die veel toegepast onderzoek voor de industrie uitvoeren, droge verwerkingsroutes als onderdeel van bredere programma's om Europese batterijproductie te verduurzamen.
Ook Amerikaanse nationale laboratoria, waaronder Argonne National Laboratory met zijn batterijonderzoeksfaciliteit CAMP, bestuderen droge elektrodeprocessen als onderdeel van door de Amerikaanse overheid gefinancierd onderzoek naar goedkopere batterijproductie.
Hoe ver is de techniek?
Droge extrusie is verder ontwikkeld voor de negatieve elektrode (meestal grafiet) dan voor de positieve. Het droog verwerken van de negatieve elektrode wordt door de industrie als relatief beheersbaar beschouwd en wordt door sommige bedrijven al in beperkte productie toegepast.
De positieve elektrode is lastiger, omdat de gebruikte actieve materialen (vaak metaaloxiden met lithium, nikkel, mangaan en kobalt) anders reageren op de mechanische bewerking en gevoeliger zijn voor een gelijkmatige verdeling van het bindmiddel. Volgens berichten in de vakpers heeft Tesla bij het opschalen van zijn 4680-cellen in de Giga-fabrieken in Texas en Nevada meerdere jaren te maken gehad met vertragingen die deels aan de droge kathode worden toegeschreven; het bedrijf heeft de productiedoelen voor deze cellen herhaaldelijk moeten bijstellen. Harde, geverifieerde cijfers over het huidige slagingspercentage van dit specifieke proces zijn echter niet publiekelijk beschikbaar, dus voorzichtigheid bij het interpreteren van claims is op zijn plaats.
Belangrijke technische obstakels die nog worden onderzocht zijn: het gelijkmatig verspreiden van een piepklein beetje bindmiddel door een grote hoeveelheid poeder, het voorkomen van scheurtjes of gaatjes in het uiteindelijke dunne vel, en het opschalen van een proces dat in laboratoria goed werkt naar de metersbrede, razendsnelle productielijnen die de auto-industrie nodig heeft.
Wie werken eraan?
Naast Tesla, LiCAP Technologies en AM Batteries wordt droge elektrodetechnologie naar verluidt ook onderzocht door grote Aziatische batterijproducenten zoals CATL (China), LG Energy Solution en Samsung SDI (beide Zuid-Korea), en Panasonic (Japan), al hebben deze bedrijven doorgaans minder details over hun voortgang publiek gemaakt dan Tesla.
In de Verenigde Staten financiert het ministerie van Energie via onder meer Argonne National Laboratory onderzoek naar solventvrije productiemethoden, als onderdeel van een breder streven om de Amerikaanse batterijindustrie minder afhankelijk te maken van dure en milieubelastende processen. In Europa dragen Duitse Fraunhofer-instituten en verschillende universitaire onderzoeksgroepen bij aan fundamenteel onderzoek naar de materiaalkunde achter het fibrilleren van bindmiddelen.