Bio-Bindemittel für Lithium-Ionen-Batterien
Binder-Härter-Systeme auf Epoxidbasis
Wie lassen sich Lithium-Ionen-Akkus nachhaltiger herstellen? Bei der Beantwortung dieser Frage spielen auch die Bindemittel, die in den Elektroden eingesetzt werden, eine wichtige Rolle. Sie sollten gesundheitlich unbedenklich sein und im Sinne der Bioökonomie einen möglichst hohen biobasierten Anteil enthalten. Die Technische Universität Braunschweig, das Thünen-Institut und die Custom Cells Itzehoe GmbH sowie die Schill + Seilacher „Struktol“ GmbH als assoziierter Partner prüften nun in einem Forschungsprojekt die Eignung biobasierter Epoxid-Härter-Systeme als Ersatz für die heute gängigen petrochemischen und halogenierten Bindemittel. Sie nutzten fettsäuremodifizierte, kommerziell verfügbare Epoxide und Härter sowie epoxidierte Pflanzenöle aus Öllein und der Sojabohne. Im Ergebnis eigneten sich insgesamt 21 entwickelte Binder-Härter-Systeme grundsätzlich als Elektroden-Klebstoff. Einige davon fielen durch sehr gute technische Eigenschaften auf und zeigten sich in Upscale-Versuchen auch für eine industrielle Produktion geeignet.
Für das Bindemittel, mit dem die chemisch aktiven Substanzen in den Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien befestigt werden, verwendet man heute überwiegend Polyvinylidenfluorid (PVDF) in Kombination mit dem Lösemittel N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP). Beide Stoffe haben jedoch Nachteile: PVDF ist teuer, schwer zu entsorgen und weist mechanische Schwächen auf, während NMP aufgrund seiner toxischen Eigenschaften von der Europäischen Chemikalienagentur als besonders besorgniserregend eingestuft wurde.
Im jetzt abgeschlossenen Projekt untersuchten Forscher erstmals epoxid-basierte Bindemittel aus nachwachsenden Rohstoffen. Sie entwickelten insgesamt 21 Epoxid/Härter-Systeme, die sich grundsätzlich für die Herstellung von Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien eignen. Insbesondere bei Haftung, chemischer Beständigkeit gegenüber dem aggressiven Elektrolyten, Elastizität und der Trocknung schnitten die neuen Bindemittel gut ab. Als besonders vielversprechend erwies sich ein fettsäuremodifizierter Bisphenol-A-Diglycidylether als Epoxidharz mit einem biobasierten Diamin als Härter. Gute technische Eigenschaften weist auch die Kombination aus epoxidiertem Leinöl mit Admerginsäure auf, deren biobasierter Anteil bei ca. 87 Prozent liegt.
Vollständig biobasiert und ebenfalls grundsätzlich gut geeignet war das System epoxidiertes Leinöl mit einem Härter aus Bernsteinsäureanhydrid und Glycerin. Außerdem konnten die Forscher durch das Vorvernetzen der Epoxide die Zellkapazität der Batterien deutlich verbessern: Die Zellen verfügten nach mehrfachen Be- und Entladungen noch über deutlich mehr Ladekapazität als bei nicht vorvernetzten Epoxiden. In Upscale-Versuchen gelang es den Forschern, einige der entwickelten Systeme industrienah zu verarbeiten.
Die neuen Binder sind nicht nur für die Elektrodenproduktion von Batterien interessant, sondern auch für den Ersatz konventioneller Epoxide und weiterer Klebstoffe.
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