Battery Cell Technology

Im Rahmen des Verbundprojektes werden verschiedene Aspekte der Entwicklung einer Festkörperbatterie als Türöffner-Technologie für die Elektromobilität beleuchtet. Ziel des Gesamtprojektes ist es, Hürden abzubauen, die eine Zellproduktion in Deutschland hemmen. Dafür müssen die Produktionskosten gesenkt und die Energiedichte der Batteriezellen erhöht werden. Deshalb sollen neben einem neuen Zelldesign mit Festkörperelektrolyt auch neue Produktionstechnologien evaluiert werden. Betrachtet werden daher neben Materialauswahl auch unterschiedliche Herstellungsmethoden, um eine kostengünstige Fertigung bei hoher Herstellungsqualität zu erreichen.

Im AP „Innovatives Trocknen (eTrock)“ wird die Einsatzfähigkeit eines auf der NIR-Technologie basierenden Trocknungssystem bei der Herstellung von nass applizierten Schichten untersucht und ein Vergleich mit herkömmlichen Trocknungssystemen gezogen. Ziel ist der Nachweis, dass mit Hilfe der NIR-Technologie die Baugröße einer Trocknungsstrecke für die Kathoden- als auch für die Anodenproduktion auf rund 1/10 der bisher üblichen Trocknungsstrecken (z. B. Konvektionstrockner) zu reduzieren und auch die benötigte Energie für den Trocknungsprozess entsprechend zu senken. Hierbei stehen neben dem eigentlichen Trocknungsvorgang auch die Güte und Funktionalität der getrockneten Schichten im Vordergrund. Abschließend soll eine wirtschaftliche Gegenüberstellung zu bisher eingesetzten konventionellen Trocknungssystemen erfolgen, um eine Abschätzung der Kosten für eine industrielle Fertigungsanlage zu erlauben.

Die Untersuchungen sollen für verschiedene Slurry-Zusammensetzungen erfolgen. Insbesondere sollen Slurries für Kathoden sowohl für Zellen mit Flüssigelektrolyt als auch für Solid-state-Batterie-(SSB-)Zellen getrocknet werden. Der Trocknungsschritt wird beim Letzteren deutlich vereinfacht, da das Verfahren zum Aufschmelzen des Binders verwendet werden kann.

Eine Trocknungsanlage mit NIR-Technologie verspricht, Wärme schneller in die komplette Tiefe der nassen Slurry-Schicht einzutragen als dies allein mit an der Oberfläche überströmender Luft möglich ist. Da weder die spektrale Absorptionscharakteristik der Slurries für den NIR-Wellenlängenbereich (1.000 nm bis 1.500 nm) noch die Kinetik des Trocknungsprozesses von NMP aus einem Slurry mit den in Frage kommenden Zusammensetzungen und Partikelgrößenverteilungen komplett bekannt sind, ist eine experimentelle Untersuchung der Anwendbarkeit von NIR-Systemen notwendig. Darüber hinaus muss untersucht werden, wie sich der Wärmeeintrag auf die Eigenschaften der getrockneten Schicht und ihrer Bestandteile auswirkt. Ein entsprechend positives Prozessfenster ist zu ermitteln.

Die Untersuchungen sollen für verschiedene Slurry-Zusammensetzungen erfolgen. Insbesondere sollen Slurries für Kathoden sowohl für Zellen mit Flüssigelektrolyt als auch für SSB-Zellen getrocknet werden. Der Trocknungsschritt wird beim Letzteren deutlich vereinfacht, da das Verfahren zum Aufschmelzen des Binders verwendet werden kann.

Es sind sowohl Batch- als auch In-line-Versuche geplant. Darüber hinaus wird die Zusammensetzung der zu trocknenden Slurries und außerdem die Trocknungsziele als zulässiger Restgehalt von Wasser bzw. NMP festgelegt. Zur Auslegung der Trocknungsanlage müssen bestimmte Stoffeigenschaften der Slurry und insbesondere der Lösemittel bekannt sein. Hier sind vor allem die Absorptionsspektren - vor allem im kurzwelligen NIR-Bereich - der Lösemittel sowie anderer Slurry-Bestandteile wichtig. Zur Ermittlung der benötigten Stoffparameter wird eine Literaturrecherche bzw. eine Herstellerbefragung durchgeführt bzw. die Stoffwerte experimentell ermittelt.

Nach Auswertung und Bewertung der verschiedenen Versuchsvarianten wird eine mögliche Anlagenprozessoptimierung durchgeführt und gegebenenfalls werden entsprechende Modifikationen am Versuchstrockner vorgenommen.

Die Ergebnisse der Arbeiten im Teilprojektvorhaben „Innovatives Trocknen (eTrock)“ dienen dazu, eine Auslegung einer Trocknungsanlage auf Basis der NIR-Technologie für eine Serienfertigung von Batteriezellen auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie zu ermöglichen. Die konventionelle Trocknung in industriellen Prozessen ist infolge einer des relativ hohen Energieverbrauches sowie der teilweise extrem großen Bauweise ein starker Kostenfaktor bei der Produktion. Die in den Zielen formulierten Reduktionen hinsichtlich der Baugröße eines NIR-Trocknungssystems als auch eine Reduzierung der Energiekosten bei gleicher Qualität würden hier auch zu einer Reduzierung der Herstellkosten führen und somit die Marktchancen einer in Deutschland gefertigten Zelle deutlich verbessern.

Zudem liefern die Versuche generelle Ergebnisse für die Trocknung von extrem dicken Nassschichten (hier bis zu 200 m) mittels strahlungsbasierter Systeme auch für andere Anwendungen, z. B. im Fahrzeugbau.