Multiskalenansatz zur Beschreibung des Rußaufschlusses im Dispergierprozess für eine prozess- und leistungsoptimierte Prozessführung

Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verteilung des Leitfähigkeitsadditivs innerhalb der Elektrodenstruktur die Leistungsfähigkeit der gefertigten Batteriezelle entscheidend beeinflusst und auf diese in Abhängigkeit der gewählten Prozessparameter des Dispergierprozesses Einfluss genommen werden kann. Neuartige Analysemethoden zur Charakterisierung der sich durch den Dispergierprozess einstellenden Rußverteilung innerhalb der Elektrodenstruktur können einen wertvollen Beitrag dazu liefern, die Leitrußstruktur in Bezug auf eine gesteigerte Energie- und Leistungsdichte zu optimieren. Gleichzeitig ermöglichen iterativ experimentell validierte numerische Simulationen einen Einblick in messtechnisch schwer erfassbare Vorgänge des Dispergierprozesses, die für die Strukturierung der Leitruß-Komponente verantwortlich sind. Die enge Verknüpfung von Prozessierung, Zellperformance, Strukturanalyse (Projektpartner IAM-WET) und Simulation (Projektpartner MVM) erlaubt die Entwicklung einer Methodik zur Auslegung neuer bzw. zur Optimierung bestehender Dispergieraggregate.

Unter der Zielstellung, das Leitfähigkeitsgefüge in Kathodenbeschichtungen zu optimieren, werden umfangreiche experimentelle Untersuchungen des Dispergierprozesses durchgeführt. Der Fokus wird hier auf die Beanspruchungsintensität und die Beanspruchungszeit gelegt. Die in diesem Rahmen hergestellten Elektrodenpasten werden als Elektrodenbeschichtung in Labor-Pouchzellen verarbeitet und im Hinblick auf ihre elektrochemischen Leistungseigenschaften untersucht. Analysen der Elektroden hinsichtlich struktureller, mechanischer und elektrischer Eigenschaften ermöglichen einen Rückschluss auf die Rußverteilung in der Kathode. Zeitgleich entsteht ein makroskaliges mechanistisches Modell welches die Beanspruchung der Suspension innerhalb des im Rahmen des Forschungsvorhabens eingesetzten Planetenmischers (Netzsch PMH10) beschreibt. In Verbindung mit einem CFD-Modell, welches die Strömungen und somit die Beanspruchungen innerhalb des Mischers darstellt, soll eine prädiktive Aussage über optimale Beanspruchungsparameter gemacht werden können.

Das Forschungsvorhaben ist in drei übergeordnete Arbeitspakete gegliedert: Prozessierung, Charakterisierung und Modellierung.

Das Arbeitspaket Prozessierung umfasst alle experimentellen Arbeiten von der Herstellung der Suspensionen bis zur Zellfertigung im Labor- und Pilotmaßstab. Der Dispergierprozess wird hier zunächst für eine Referenzrezeptur hinsichtlich der Beanspruchungsintensität und -zeit variiert. In einem Optimierungsschritt werden anschließend bei konstanter Dispergierzeit Suspensionen mit variierter Rezeptur hergestellt und untersucht.

Im Rahmen des Arbeitspaketes Charakterisierung sind umfangreiche Analysen der hergestellten Suspensionen und daraus gefertigten Elektroden und Zellen vorgesehen, u. a. zur makroskopischen Elektrodencharakterisierung.

Im Arbeitspaket Modellierung liegt der Fokus auf der Entwicklung eines Beanspruchungsmodells. Dieses wird durch CFD-Berechnungen der Strömungsverhältnisse innerhalb des eingesetzten Planetenmischers unterstützt. Für die Bestimmung der Beanspruchungsintensitäten, die auf die Partikel wirken, und deren Häufigkeit im Dispergierprozess ist dabei neben der Viskosität des reinen Lösungsmittels und der Elektrodensuspension die genaue Kenntnis der Scherraten innerhalb des Dispergieraggregates bzw. die Scherratenverteilung notwendig. Die Scherratenverteilung soll dabei im Rahmen dieses Projektes anhand verschiedener Formulierungsansätze der Elektrodensuspensionen und verschiedener Prozessparamater mittels CFD-Simulationen der gesamten Geometrie des Misch- bzw. Dispergieraggregates abgebildet und mit der mikroskaligen Simulation des Projektpartners MVM gekoppelt werden. Auf Basis der Modelle werden Dispergierparameter festgelegt, mit denen eine leistungsoptimierte Rußstruktur gezielt hergestellt werden kann. Mit diesen Parametern werden Suspensionen hergestellt, die anschließend auf der Pilotlinie der BLB beschichtet werden. Auf diese Weise wird die entwickelte numerische Optimierungsmethodik final validiert.

Positive Ergebnisse können Zellhersteller kurzfristig innerhalb von ein bis zwei Jahren nach Projektende für die Anpassung eigener Prozesse nutzen und hierüber den Dispergierprozess effektiver und effizienter gestalten. Dies ist insbesondere für kleine und mittelständische Zellhersteller wichtig, die ihre Produkte für Spezialanforderungen entwickeln, da eine detaillierte wissenschaftliche Betrachtung einzelner Prozessschritte aufgrund der hohen personalen Kosten und des hohen Forschungsaufwands kaum realisierbar ist. Die in diesem Projekt erworbenen Ergebnisse unterstützen in dem Fall sowohl Zellhersteller als auch Unternehmen in den Spezialbereichen.

Neben der Adaption der Ergebnisse für die Prozessoptimierung können über die Simulation und die damit verbundenen Ergebnissen Dispergieraggregate ausgelegt werden. Dieser Markt wird maßgeblich durch deutsche Hersteller bestimmt. Zukünftig ergibt sich voraussichtlich ein steigendes Marktpotenzial für Dispergieraggregate zum Einsatz in Prozessen zur Batteriezellenproduktion, in denen deutsche Gerätehersteller national, aber vor allem auch international aktiv sind.

Die Erkenntnisse aus diesem Teilprojekt können mit anderen Prozessschritten korreliert und so kurzfristig für die Herstellung von Elektroden und Zellen genutzt werden. Durch die enge Zusammenarbeit und den Austausch innerhalb des ProZell-Clusters können die Erkenntnisse ebenso von weiteren Partnern der Cluster-Projekte genutzt werden. Zudem gewinnen die Institute an Verständnis für den Prozess, welches über die eigenen Forschungsschwerpunkte hinausgeht. Dieses Projekt trägt zu einem ganzheitlichen Bild der Einflussfaktoren in der Batteriezellenfertigung bei, welches ein weitreichendes Verständnis für die Wirkzusammenhänge ermöglicht.