Rolle-zu-Rolle-Intensivnachtrocknung

Die Nachtrocknung von Elektroden und Separatoren direkt vor dem Verbau zu Zellen stellt nach derzeitigem Stand der Technik den energieintensivsten Prozessschritt der Batteriezellproduktion dar, obwohl physikalisch gesehen nur geringe Mengen sorptiv gebundenen Wassers entfernt werden müssen. Es besteht demnach ein enormes Potenzial zur Energie- und Kosteneinsparung durch eine verbesserte Prozessführung bei gleichzeitiger Steigerung des Durchsatzes

Ziel von Roll-it ist es, wissensbasierte Handlungsempfehlungen für den Nachtrocknungsprozess zu erarbeiten, anhand derer bestehende Prozesse bei gleichbleibend hoher Zellqualität und reduziertem Ausschuss materialübergreifend verbessert und neu geplante Anlagen optimal ausgelegt werden können.

Im Rahmen dieses Teilprojektes wird der Prozess der Nachtrocknung mittels Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) untersucht und optimiert. Ein weiteres Ziel ist der Aufbau und die Evaluierung einer kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Trocknungsanlage (R2R) mit den Möglichkeiten zur Erwärmung mittels IR und zur konduktiven Erwärmung (nur für Elektroden). Das Teilprojekt konzentriert sich dabei auf die Untersuchung skalierbarer Prozesse, die industriell umgesetzt werden können. So tragen die wissenschaftlichen Ergebnisse zur Prozessauslegung und Optimierung der Nachtrocknung bei.

Zur Optimierung des Nachtrocknungsprozesse wird im Rahmen dieses Teilprojektes zunächst der Einfluss der Restfeuchte in der Zelle auf die elektrochemische Performance und Alterung untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse werden mit gezielten Versuchen an der Forschungsproduktionslinie (FPL) in Ulm abgeglichen und durch eine Qualitäts-Eigenschafts-Funktion zusammengefasst dargestellt.

Um prozessbezogene Grenzwerte zu definieren, werden zudem die Änderungen der strukturellen und mechanischen Eigenschaften der Elektroden und Separatoren in Abhängigkeit der eingetragenen Trocknungsenergie bzw. -leistung überprüft. Zur Untersuchung der Trocknungskinetik in Abhängigkeit der Struktureigenschaften werden des Weiteren Elektroden mit gezielt eingestellten Schichteigenschaften (Elektrodendichte, Flächenbeladung) hergestellt, charakterisiert und nachgetrocknet.

Als wissenschaftliches Ziel wird das Institut für Partikeltechnik (iPAT) zusammen mit der Arbeitsgruppe Thin Film Technology (TFT) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ein Trocknungsmodell auf Elektroden- und Separatorebene erstellen, das es ermöglichen soll, mittels weniger Messgrößen eine optimale Trocknung für ein Stoffsystem zu berechnen. Um dieses Trocknungsmodell aufstellen zu können und zu validieren, bauen die Projektpartner iPAT und das Institut für Füge- und Schweißtechnik (ifs) gemeinsam zunächst einen stationären und im weiteren Projektverlauf einen kontinuierlichen Prüfstand auf, an dem die Nachtrocknung mittels IR-Strahlung und konduktiver Erwärmung an den Elektroden und Separatoren untersucht wird.

Im Rahmen dieses Teilprojekts wird zudem die Handhabung bereits getrockneter Komponentenwickel unter Berücksichtigung der Wiederaufnahme von Umgebungsfeuchte untersucht. Um eine industrienahe Betrachtung zu gewährleisten, werden diese Untersuchungen experimentell in den Trockenräumen der Battery LabFactory Braunschweig (BLB) umgesetzt. Als finales Ergebnis wird eine Handlungsempfehlung für die Umsetzung der wissenschaftlichen Ergebnisse entwickelt und auf der FPL im Produktionsmaßstab umgesetzt.

Angesichts des rasant steigenden globalen Energiebedarfs und der damit verbundenen Zunahme von Kohlendioxid-Emissionen sowie der begrenzten Verfügbarkeit fossiler Ressourcen gewinnt die Umstellung auf erneuerbare Energien in den vergangenen Jahren weltweit zunehmend an Bedeutung. Um erneuerbare Energien effizient nutzen zu können, ist jedoch gleichzeitig die Entwicklung von mobilen und stationären Energiespeichersystemen mit ausreichend hohen Kapazitäten notwendig.

Einen wichtigen Speichertyp stellt hier die Lithium-Ionen-Batterie dar, nicht zuletzt aufgrund ihrer schnellen Reaktionsfähigkeit, ihrer guten Skalierbarkeit sowie ihres breiten Einsatzgebietes sowohl im stationären als auch im mobilen Gebrauch. Verglichen mit Technologien hoher Technologiereifegrade zeigen sich im Bereich der Batteriezellproduktion allerdings noch erhebliche Potenziale zur Verbesserung von Produkteigenschaften und Produktivität.

Nach dem heutigen Stand der Technik besteht der energieintensivste Prozessschritt der Produktion von Lithium-Ionen-Batteriezellen in der Nachtrocknung von Elektroden und Separatoren direkt vor dem Zellbau. Im Bereich der Nachtrocknung besteht demnach ein enormes Potenzial, durch eine verbesserte Prozessführung Energie und Kosten einzusparen und gleichzeitig den Durchsatz zu erhöhen. Dieses Projekt untersucht deshalb den Prozess der Nachtrocknung und leitet wissensbasierte Handlungsempfehlungen ab, durch die bereits bestehende Prozesse bei gleichbleibend hoher Zellqualität und verringertem Ausschuss materialübergreifend verbessert werden. Die gewonnen Erkenntnisse und entwickelten Modelle ermöglichen eine optimale Auslegung neu geplanter Anlagen.