Kalanderen: de walstechniek die batterijen dunner, dichter en beter maakt
Kalanderen is een industrieel proces waarbij een materiaal tussen twee zwaar aangedreven rollen wordt geperst om het dunner, gladder of dichter te maken. Denk aan het rollen van deeg met een deegroller: hoe harder en gelijkmatiger je drukt, hoe dunner en compacter het deeg wordt. In de industrie gebeurt hetzelfde met stalen walsen die honderden tot duizenden kilo's druk per centimeter kunnen uitoefenen, soms verwarmd om het materiaal net iets soepeler te maken tijdens het persen.
Het woord komt van het Franse calandre, dat op zijn beurt teruggaat op het Griekse kylindros, oftewel cilinder. Kalanderen wordt al meer dan een eeuw gebruikt om papier glanzend te maken, kunststoffolie op dikte te brengen of rubber voor autobanden te vormen. De laatste jaren duikt de term ook op in een heel ander domein dat direct met de energietransitie te maken heeft: de productie van batterijen. Daar is kalanderen een cruciale, vaak onzichtbare stap die mede bepaalt hoeveel energie een accu kan opslaan en hoe lang die meegaat.
Wat is het precies?
Bij de productie van een moderne lithium-ionbatterij begint alles met een elektrode: een dunne metalen folie (koper voor de negatieve elektrode, aluminium voor de positieve) die wordt bedekt met een mengsel van actief materiaal, een geleidend additief en een bindmiddel. Dat mengsel wordt als een soort natte pasta op de folie aangebracht en vervolgens gedroogd, waarna er een poreuze, sponsachtige laag overblijft.
Die poreuze laag is nog te los en te dik om efficiënt te zijn. Daarom loopt de folie door een kalander: twee zware stalen rollen die de laag onder hoge druk samenpersen tot een exacte, vooraf ingestelde dikte. De ruimte tussen de rollen, de zogeheten walsspleet, bepaalt hoe dicht het materiaal wordt geperst. Soms worden de rollen verwarmd, zodat het bindmiddel iets soepeler wordt en de deeltjes beter aan elkaar en aan de folie hechten.
Er bestaat ook een nieuwere variant: droog kalanderen. Hierbij wordt geen natte pasta gebruikt, maar een droog poedermengsel waarin het bindmiddel (vaak PTFE, hetzelfde materiaal als in teflon) door mechanische schuifkrachten wordt uitgerekt tot een web van microscopisch dunne vezels. Dat vormt een zelfdragende film die direct tussen kalanderrollen op de metalen folie wordt geperst, zonder dat er eerst gedroogd hoeft te worden. Dit is nog volop in ontwikkeling, maar wordt gezien als een belangrijke stap voorwaarts omdat de klassieke, natte methode een oplosmiddel vereist dat achteraf weer moet worden teruggewonnen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is een hogere energiedichtheid: meer energie opslaan in hetzelfde volume of gewicht. Door de elektrodelaag dichter samen te persen, passen er meer actieve deeltjes in dezelfde ruimte, wat de capaciteit van de batterij vergroot zonder dat de cel groter of zwaarder wordt.
Daarnaast verbetert kalanderen de mechanische sterkte en elektrische hechting van de laag. Een te losse, poreuze coating kan tijdens gebruik loslaten van de folie, wat de levensduur van de batterij schaadt. Door de deeltjes stevig tegen elkaar en tegen de folie te persen, ontstaat een beter geleidend en duurzamer netwerk.
Tegelijk is er een grens: als de laag te ver wordt samengeperst, blijft er te weinig poreuze ruimte over voor de elektrolyt, de geleidende vloeistof die lithium-ionen tussen de elektrodes vervoert. Te weinig porositeit belemmert dat ionentransport, wat vooral bij snelladen tot problemen leidt. Bij sommige kathodematerialen, zoals de brosse hoog-nikkel NMC-verbindingen die in veel elektrische auto's worden gebruikt, kan te veel druk bovendien de deeltjes letterlijk beschadigen. Kalanderen is dus een precisiewerk: de juiste balans vinden tussen dichtheid en poreusheid.
Een ander doel, vooral bij droog kalanderen, is duurzaamheid en kostenbesparing. Het klassieke, natte coatingproces gebruikt vaak het oplosmiddel NMP (N-methylpyrrolidon), dat giftig is en na gebruik met veel energie moet worden teruggewonnen in grote droogovens. Een droog proces zou dat hele stap kunnen overslaan, wat fabrieken compacter, zuiniger en goedkoper zou maken.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste voorbeeld is Tesla, dat in 2019 het bedrijf Maxwell Technologies overnam. Maxwell had jarenlang gewerkt aan droge-elektrodetechnologie, oorspronkelijk bedoeld voor supercondensatoren. Tijdens het veelbesproken "Battery Day" in september 2020 kondigde Tesla aan dit droge proces te willen inzetten voor de nieuwe 4680-batterijcel. Tot dusver lijkt dit vooral te lukken voor de kathode; de droge anode blijkt in de praktijk lastiger, onder meer omdat grafiet- en siliciumdeeltjes minder makkelijk een stabiele, zelfdragende film vormen zonder oplosmiddel.
Ook andere grote batterijproducenten volgen deze ontwikkeling nauwlettend. Het Chinese CATL, wereldwijd de grootste producent van batterijcellen, en Zuid-Koreaanse spelers als LG Energy Solution en Samsung SDI hebben publiekelijk laten weten te experimenteren met droge elektrodeprocessen, al is over de precieze status van hun pilotlijnen weinig in detail bekend.
In Duitsland doet het Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Fraunhofer IWS) in Dresden onderzoek naar oplosmiddelvrije elektrodeproductie, inclusief droogcoating en kalandertechnieken, vaak in samenwerking met de Europese batterij-industrie die momenteel in verschillende landen nieuwe "gigafabrieken" bouwt.
Buiten de batterijwereld blijft kalanderen intussen gewoon in gebruik zoals het al decennia gebeurt: in de papierindustrie voor glanzend tijdschriftpapier, in de kunststofindustrie voor landbouwfolie en verpakkingsmateriaal, en in de rubberindustrie voor onder meer autobanden en transportbanden.
Hoe ver is de techniek?
Het "natte" kalanderen, na coaten en drogen, is al tientallen jaren gangbare, volwassen technologie en staat standaard opgesteld in vrijwel elke batterijfabriek ter wereld. Hier is weinig onzekerheid over: het werkt, het is betrouwbaar, en de uitdaging zit vooral in fijnafstemming en opschaling naar steeds hogere productiesnelheden.
Het "droge" kalanderen is een ander verhaal. Voor kathodemateriaal lijkt het proces inmiddels praktijkrijp genoeg om in serieproductie te worden ingezet, zoals bij Tesla's 4680-cellen. Voor de anode is het nog vooral onderzoek en pilotproductie. De grootste obstakels zijn het gelijkmatig verspreiden en fibrilleren van het bindmiddel over brede, snel bewegende folies zonder gaten of oneffenheden, het garanderen van consistente kwaliteit bij hoge productiesnelheden, en de hoge investeringskosten voor compleet nieuwe machines.
Sinds de aankondiging van Tesla in 2020 hebben verschillende andere fabrikanten en onderzoeksinstellingen interesse getoond, maar een volledige, sectorbrede omschakeling van nat naar droog kalanderen wordt niet op korte termijn verwacht. Het is aannemelijker dat beide methodes de komende jaren naast elkaar blijven bestaan, met droog kalanderen die geleidelijk terrein wint waar het proces eenmaal betrouwbaar genoeg is gebleken.
Wie werken eraan?
Op bedrijfsniveau lopen Tesla (met de overgenomen technologie van Maxwell Technologies), CATL, LG Energy Solution, Samsung SDI en Panasonic voorop in onderzoek naar geavanceerde elektrodeproductie, waaronder droog kalanderen. Ook de Zweedse batterijfabrikant Northvolt heeft interesse getoond in efficiëntere, oplosmiddelarme productiemethodes.
Daarnaast is er een laag van gespecialiseerde machinebouwers die de kalander- en coatinglijnen daadwerkelijk leveren aan deze fabrikanten, zoals de Zwitserse Bühler Group en de Duitse bedrijven Manz AG en Coatema Coating Machinery.
Op onderzoeksniveau speelt Fraunhofer IWS in Dresden een belangrijke rol binnen Duitsland en de bredere Europese batterij-industrie. In de Verenigde Staten doet het Argonne National Laboratory, onderdeel van het Amerikaanse ministerie van Energie, onderzoek naar batterijproductieprocessen, onder meer via zijn onderzoeksfaciliteiten voor elektrodeontwikkeling. Landen die momenteel het meest investeren in batterijproductie, en daarmee ook in verbeterde kalandertechnieken, zijn de Verenigde Staten, China, Zuid-Korea en de lidstaten van de Europese Unie, met Duitsland en Zweden als opvallende Europese knooppunten.