Vom Smartphone bis zum Elektroauto: Die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien wächst rasant. In diesen Batterien sorgen sogenannte Binder-Härter-Systeme dafür, dass die chemisch aktiven Substanzen in den Elektroden fixiert bleiben. Bislang bestehen die dazu verwendeten Bindemittel überwiegend aus Polyvinylidenfluorid in Kombination mit dem Lösemittel N-Methyl-2-pyrrolidon. Während ersteres sehr teuer, schwierig zu entsorgen und mechanisch anfällig ist, zeichnet letzteres eine hohe Toxizität aus. Ein deutscher Forschungsverbund hat nun nachhaltige Alternativen zu diesem Binder-Härter-System präsentiert, die in Batterien, aber auch anderen Anwendungen konventionelle Epoxide ersetzen könnten.

21 Binder-Härter-Systeme mit unterschiedlichem Bioanteil

Gefördert vom Bundeslandwirtschaftsministerium haben die Technische Universität Braunschweig, das Thünen-Institut und die Custom Cells Itzehoe GmbH sowie die Schill + Seilacher „Struktol“ GmbH Bindemittel entwickelt, die biobasiert sind, den Qualitätsanforderungen der Lithium-Ionen-Batterien genügen und in industriellem Maßstab produziert werden können. Insgesamt 21 Binder-Härter-Systeme erprobten die Forscher. Die Grundlagen bildeten fettsäuremodifizierte, kommerziell verfügbare Epoxide und Härter sowie epoxidiertes Leinöl und Sojaöl.

Drei besonders vielversprechende Varianten

Aus technischer Sicht überzeugt besonders ein fettsäuremodifizierter Bisphenol-A-Diglycidylether als Epoxidharz mit einem biobasierten Diamin als Härter. Vollständig biobasiert ist das System aus epoxidiertem Leinöl mit einem Härter aus Bernsteinsäureanhydrid und Glycerin, dem die Forscher ebenfalls eine grundsätzlich gute Eignung zusprechen. Einen guten Kompromiss aus technischen Eigenschaften und möglichst hoher Nachhaltigkeit weist die Kombination aus epoxidiertem Leinöl mit Admerginsäure auf, deren biobasierter Anteil bei 87% liegt. Grundsätzlich eigenen sich aber alle 21 erprobten Varianten für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien. Insbesondere bei Haftung, chemischer Beständigkeit gegenüber dem aggressiven Elektrolyten, Elastizität und der Trocknung schnitten die neuen Bindemittel gut ab.

Industrienahe Bedingungen erreicht

Auch die Kapazität der Batterien konnten das Team steigern. Die Zahl der Be- und Endladevorgänge erhöhte sich, indem sie die Epoxide vorvernetzten. Außerdem konnten die Partner im Verbundprojekt einige der Systeme so weit hochskalieren, dass industrienahe Bedingungen erreicht wurden.

bl