Prozessmodellierung der Kalandrierung energiereicher Elektroden

Entscheidend für den Erfolg von mobilen Energiespeichern sind deren volumetrische und gravimetrische Energiedichte. Zu deren Erhöhung werden einerseits hochkapazitive Aktivmaterialien entwickelt, andererseits können deutliche Steigerungen durch hohe Aktivmaterialanteile und Massenbeladungen erzielt werden. Den entscheidenden Einfluss auf die resultierende volumetrische Energiedichte hat der Prozess der Verdichtung: die Kalandrierung.

Neben der signifikanten Verringerung des Schichtvolumens führt die Verdichtung zur deutlichen Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit von Beschichtungen mit intrinsisch gering leitfähigen kathodischen Aktivmaterialien. Weiterhin können die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung verbessert werden: Zum einen ist die Haftfestigkeit innerhalb der Schicht und an der Grenzfläche zum Substrat bedeutend für die weiterführende Handhabbarkeit und zum anderen beeinflussen die plastische und elastische Verformbarkeit die Stabilität der Elektroden gegenüber den ionischen Ein- und Auslagerungsprozessen. Die deutliche Verringerung der Porosität reduziert jedoch die elektrochemisch aktive Oberfläche und die für die Ionendiffusion notwendigen Transportkanäle. Ein wichtiges Ziel der Kalandrierung ist dementsprechend die Optimierung der Porenstruktur. Folglich ist das Prozessverständnis entscheidend, um gezielt die optimale Poren- und Partikelstruktur sowie günstige mechanische Eigenschaften einstellen zu können.

Ziel des Teilvorhabens ist es die Abhängigkeit der elektrochemischen Performanz in Bezug auf die Kalandrierung zu verstehen, um daraus ein Struktur-Eigenschafts-Modell zu erstellen. Dieses Modell soll als Entscheidungstool dienen, um eine bestmögliche elektrochemische Performanz in Abhängigkeit der Parameter des Kalandrierprozesses zu erreichen.

Die Arbeiten am MEET fokussieren sich im ersten Schritt auf die Identifizierung und Charakterisierung geeigneter Elektrodenzusammensetzung für hochkapazitive Anoden auf Basis von Silizium-Graphit-Kompositelektroden. Bei entsprechender Aktivmassenbeladung der Elektroden können somit Anoden mit hoher volumetrischer Energiedichte (> 4 mAh/Quadratzentimeter) erreicht werden. Diesbezüglich werden ebenfalls geeignete Leitfähigkeits- und Porenadditive untersucht, die zur Modifizierung der elektrischen und ionischen Leitfähigkeit von Dickschichtelektroden mit hohen Aktivmassenbeladungen dienen sollen. Die in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern hergestellten und systematisch kalandrierten Elektroden werden in der Folge eingehend auf Ihre elektrochemischen Eigenschaften (Zyklenstabilität, Impedanzverhalten und C-Raten-Performanz) analysiert. Über die Ermittlung der elektrochemischen Kenndaten in Abhängigkeit der relevanten Prozessparameter bei der Kalandrierung und den daraus resultierenden Elektrodenstrukturen, soll ein detailliertes Struktur-Eigenschafts-Modell entwickelt werden. Als Erweiterung dazu sollen die Ergebnisse der Projektpartner (TU Braunschweig und TU München) bezüglich der gerätetechnischen Charakterisierung des Kalandrierungsprozesses für die Erstellung eines Prozess-Kosten-Modells verwendet werden.

Für elektromobile Anwendungen ist die volumetrische Energiedichte ein entscheidendes Kriterium, um mit konservativen Antrieben konkurrieren zu können. Bei kompakter Bauweise des Energiespeichers sind damit deutlich höhere Reichweiten zu erzielen als bisher. Neben dem Kostenfaktor ist dies das entscheidende Kriterium zur Steigerung der Konkurrenzfähigkeit von elektromobilen Anwendungen. Mit gesteigerten Anteilen der elektromobilen Technologien werden die Treibhausemmissionen deutlich sinken und somit volkswirtschaftliche Konsequenzen des Treibhauseffektes mildern.

Durch die Optimierung der Kalandrierung entstehen verbesserte volumetrische Energiedichten, eine mögliche Erhöhung der Performanz der Zelle und eine verbesserte Verarbeitungsfähigkeit der Elektroden im Zellbau. Diese Wettbewerbsvorteile lassen sich unmittelbar (< 1 Jahr) anhand der vorhandenen Anlagetechnik umsetzen und nutzen, da lediglich die vorhanden Kalandrierbedingungen bezüglich der identifizierten Parameter angepasst werden müssen.

Wissenschaftlich ist die Auswirkung der Kalandrierung auf die elektrochemische Performanz der Batterie noch wenig ergründet. Wesentliche Einblicke in die ablaufenden elektrochemischen Prozesse zu erlangen und die beeinflussenden Faktoren zu identifizieren stellt eine große Bereicherung für das Verständnis von LIB dar. Das Verständnis, der Wechselwirkungen zwischen Kalandrierung und der Performanz einer LIB, kann auch auf andere Zellchemien übertragen werden. Dies ermöglicht ein universelles Entscheidungstool zu Verbesserung der Performanz unter Berücksichtigung der relevanten Parameter des Kalandrierprozesses. Außerdem kann das vertiefte Verständnis der relevanten elektrochemischen Prozesse, die durch das Kalandrieren beeinflusst werden, mögliche weitere Faktoren zur Optimierung der Batterie aufbringen.