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. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass in Abhängigkeit der gewählten Prozessparameter des Dispergierprozesses auf diese Einfluss genommen werden kann. Neuartige Analysemethoden zur Charakterisierung der Rußverteilung innerhalb der Elektrodenstruktur, die sich durch den Dispergierprozess einstellt, sollen dazu dienen, die Leitrußstruktur in Bezug auf eine gesteigerte Energie- und Leistungsdichte zu optimieren. Gleichzeitig wird das Ziel verfolgt, mittels experimentell validierten numerischen Simulationen einen Einblick in messtechnisch schwer erfassbare Vorgänge zu erhalten, die für die Strukturierung der Leitruß-Komponente verantwortlich sind. Die Zielstellung besteht in der Reduktion des elektrochemisch passiven Leitrußanteils, welches durch eine optimierte Strukturierung und Verteilung innerhalb der Elektrodenstruktur erreicht wird. Auf diese Weise ist eine signifikante Steigerung der volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte möglich.

Die Analyse ortsaufgelöster, dreidimensionaler Rekonstruktionen von Elektrodenmikrostrukturen von Elektroden, die im Rahmen des Projekts hergestellt werden, gibt Aufschluss über den Einfluss der Strukturierung der Leitruß-Komponente auf die Leistungsfähigkeit der gefertigten Zellen. Um den stark variierenden Längenskalen (Leitruß-Agglomerate ~10 bis 1000 nm; Aktivmaterial ~1 bis 30 µm) innerhalb der sich ausbildenden Elektrodenstruktur Rechnung zu tragen, werden die Ergebnisse aus FIB-REM- und µCT-Messungen kombiniert. Daraus resultieren lokal verfeinerte Elektrodenmikrostrukturrekonstruktionen repräsentativer Größe. Für die Rekonstruktion der Mikrostrukturen dienen bereits etablierte Algorithmen, welche die dreidimensionale Abbildung der Verteilung von Aktivmaterial, Porenraum und Leitruß-Komponente ermöglichen. Für die Kombination der Datensätze aus µ-CT- (µ-Skaligkeit) und FIB-REM-Analysen (Nanoskaligkeit) sind Verfahren und Algorithmen zu entwickeln, die es ermöglichen, die Informationen aus beiden Verfahren in einer Rekonstruktion zu vereinen. Zusätzlich wird die effektive elektronische Leitfähigkeit der Elektroden und der Kontaktwiderstand zum Stromableiter mithilfe eines speziell entwickelten Messverfahrens untersucht.

Zeitgleich entsteht ein mehrskaliges numerisches Modell zur Abbildung des Dispergierprozesses. Auf der Mikroskala werden mithilfe eines gekoppelten CFD-DEM-Ansatzes relevante Einflussgrößen zur Strukturierung der Leitruß-Komponente unter Berücksichtigung von Aggregat- und Aktivmaterialbruch im Scherfeld des im Dispergierprozess eingesetzten Lösungsmittels ermittelt. Dieses Modell wird im Anschluss skalenübergreifend mit einem parallel entwickelten makroskaligen Modell zur numerischen Simulation des eingesetzten Dispergieraggregats verknüpft. Durch die Zusammenführung der Erkenntnisse lassen sich so mithilfe des multiskaligen Modellierungsansatzes zur Beschreibung des Dispergierprozesses – numerisch gestützt – optimale Betriebsbedingungen bzw. Werkzeuggeometrien für das eingesetzte Dispergieraggregat ableiten und gleichzeitig die Ergebnisse experimentell validieren. Hierdurch lassen sich Einsparpotenziale in Bezug auf die Reduktion des Energieeintrages und der Durchlaufzeit eruieren.

Die Ergebnisse dieses interdisziplinären Forschungsvorhabens liefern einen entscheidenden Beitrag zur Steigerung der volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte durch effizienteren Einsatz der Leitruß-Komponente mithilfe einer ressourcenoptimierten Dispergierung. Die fokussierte Betrachtung des Dispergierschrittes innerhalb der Prozesskette und das hierdurch erworbene tiefgehende Verständnis dieses Prozesses ist ein wichtiger Schritt in Richtung industrieller Batteriezellproduktion. Die entwickelte multiskalige und validierte Methodik zur modellgestützten Auslegung bzw. Optimierung von Dispergieraggregaten eröffnet hierbei die Möglichkeit, ressourceneffizient und unter Berücksichtigung der Einflüsse auf die Verteilung der Leitruß-Komponente auf der Mikroskala optimale Werkzeuggeometrie- und Betriebsparameter zu bestimmen. Dies führt zu einer Reduktion der Herstellkosten bei gleichzeitiger Steigerung der Zellqualität, welches unmittelbar anhand des innerhalb des Clusters definierten Referenzprozesses demonstriert wird.