Rolle-zu-Rolle-Intensivnachtrocknung

Ziel des Gesamtvorhabens Roll-It ist die Erarbeitung wissensbasierter Handlungsempfehlungen für den Nachtrocknungsprozess, anhand derer bestehende Prozesse bei gleichbleibend hoher Zellqualität und reduziertem Ausschuss materialübergreifend verbessert und neu geplante Anlagen optimal ausgelegt werden können. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens erarbeiteten Handlungsempfehlungen werden im Clusterverbund hochskaliert und an der Forschungsproduktionslinie (FPL) des ZSW überprüft. Anschließend kann eine direkte Übertragung auf den industriellen Produktionsprozess erfolgen.

Zum Erreichen der Projektziele soll zunächst der Zusammenhang zwischen Zelleigenschaften und Restfeuchte untersucht und durch ein geeignetes Qualität-Eigenschafts-Modell abgebildet werden. Aufbauend auf Untersuchungen zum Wärme- und Stofftransport werden Berechnungsmodelle entwickelt, mit denen die Restfeuchte in Abhängigkeit der Art und Intensität des Wärmeeintrags und der Intensivtrocknungsbedingungen beschrieben werden kann. Die Kopplung elektrochemischer und struktureller Untersuchungen ermöglicht das Identifizieren und Definieren von Grenzwerten bezüglich Materialrestfeuchte in den Zellen und maximal einzubringender Energie im Hinblick auf Strukturschädigungen der Materialien.

Zum Erreichen der Ziele des Gesamtvorhabens ist das Ziel des Teilvorhabens Simu-Roll-It die Erstellung und experimentelle Validierung eines Simulationsmodells zur Beschreibung und Berechnung der Intensivnachtrocknung in Abhängigkeit der eingestellten Trocknungsrandbedingungen. Besonderer Wert wird dabei auf die Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der untersuchten Materialsysteme, wie Porosität, Partikelgrößenverteilung, Phasengleichgewicht und Probengeometrie, gelegt. Als Ausgangshypothese wird davon ausgegangen, dass die Trocknungseigenschaften durch eben diese Eigenschaften bestimmt werden und ein geeignetes Simulationsmodell es ermöglicht, die Nachtrocknung neuer Stoffsysteme ohne eine vollständige empirische Untersuchung der Trocknungseigenschaften vorherzusagen. Dadurch reduziert sich der zeitliche und finanzielle Aufwand bei der Prozessauslegung und -optimierung erheblich.

Um zielgerichtet Handlungsempfehlungen für die intensive Nachtrocknung von Elektroden und Separatoren für Lithium-Ionen-Batterieanwendungen liefern zu können, soll eine modellhafte Beschreibung der zugrunde liegenden Wärme- und Stofftransportprozesse basierend auf den Standardmaterialien des Clusters erarbeitet werden. Von besonderem Interesse ist dabei, ob sich das Phasengleichgewichtsverhalten komplexer Elektroden und Separatoren als Summe der Phasengleichgewichte der Einzelkomponenten beschreiben lässt. Für nicht partikuläre Stoffsysteme konnte ein solches Verhalten in der Arbeitsgruppe bereits experimentell belegt werden.

Sollten sich die hier gegenständlichen Stoffsysteme ähnlich verhalten, würde dies den zukünftigen Aufwand bei der Charakterisierung neuer Elektroden und Separatoren mit veränderten Zusammensetzungen entscheidend reduzieren. Es müssten dann nur einmalig die verwendeten Einzelkomponenten charakterisiert werden. Das Phasengleichgewicht der fertigen Schichten könnte ohne weitere Charakterisierung mit Hilfe der bekannten Schichtzusammensetzung berechnet werden.

Aus diesem Grund werden zunächst die Einzelkomponenten der Referenzsysteme untersucht. Die Auswahl geeigneter Referenzsysteme erfolgt innerhalb des Forschungsvorhabens in enger Abstimmung mit den Clusterpartnern. Die Charakterisierung der Stoffsysteme erfolgt begleitend durch das iPAT. An den Referenzsystemen werden exemplarisch grundlegende Untersuchungen zur Auswirkung von Mikro- und Makrostruktur auf den Stofftransport durchgeführt. Die gewählten Stoffsysteme sollen nicht nur einen repräsentativen Charakter (Partikelgröße, Partikelform, Bindertyp, Porengröße etc.) für einen großen Teil der im Cluster verwendeten Stoffsysteme besitzen, sondern auch gute Voraussetzungen hinsichtlich Charakterisierungsmöglichkeiten aufweisen. Für die Elektroden wird zunächst jeweils ein Referenzsystem für Anode und Kathode identifiziert. Bei den Separatoren ist geplant, zunächst einen keramischen und einen nicht-keramischen Separator zu charakterisieren.

Die in dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse werden bewertet, um eine Handlungsempfehlung zu erarbeiten, mittels derer der Nachtrocknungsprozess effizienter und zielführender gestaltet werden kann. Die Handlungsempfehlung schließt das Verständnis, welche Restfeuchten die Zellqualität in welchem Maße beeinflussen, die Art und Intensität des Wärmeeintrags und den Abtransport der Feuchte ein. Es findet demnach eine Verknüpfung der Erkenntnisse aus dem Qualitäts-Eigenschafts-Modell und dem Prozess-Qualitäts-Modell statt.

Ebenso wird das Handling der getrockneten Elektroden und Separatoren in die Empfehlung einfließen. Die Kosteneffizienz wird in Abhängigkeit der Trocknungsart und -parameter (Prozess-Kosten-Funktion) bewertet, wobei besonders der Vergleich der IR-basierten Trocknung und der konduktiven Trocknung betrachtet wird. Die aus der erarbeiteten Handlungsempfehlung resultierenden Schritte zur Optimierung des Nachtrocknungsprozesses werden in Zusammenarbeit mit dem ZSW an der dort verfügbaren FPL unter Berücksichtigung der anlagenseitigen Möglichkeiten überprüft. Im Anschluss kann die Übertragung auf den industriellen Produktionsprozess erfolgen. Um diese Übertragung in ihrem Spektrum zu erweitern, werden Erkenntnisse aus Zusammenarbeiten mit vernetzen Cluster-Projekten zurückgespiegelt und verwertet.

Der Schwerpunkt der geplanten Arbeiten in diesem Teilvorhaben liegt auf der Simulationsseite. So werden iterativ optimale Prozessbedingungen erarbeitet und an der FPL in Ulm überprüft.