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 und günstige mechanische Eigenschaften einstellen zu können.

Das Teilvorhaben stellt die Kalandrierung als Prozesstechnologie in den Fokus. Zunächst setzt das iPAT seine Kompetenzen der Elektrodenprozessierung zur Fertigung von Elektroden hoher gravimetrischer und volumetrischer Energiedichte durch den Einsatz hochkapazitiver Aktivmaterialien NMC-622 auf der Kathode und Silicium-Graphit auf der Anode sowie die Beschichtung und Trocknung hoher Massenbeladungen ein. Erstes Ziel sind Elektroden mit Kapazitäten über 4 mAh/cm².

Den Limitierungen bezüglich elektrischer und ionischer Leitfähigkeit in dicken Schichten wird mit dem Einsatz von Leit- und Porenadditiven begegnet. Diese sollen einerseits eine ausgeprägte elektrische Kontaktierung durch das gesamte Aktivmaterialgefüge ermöglichen und andererseits im Rahmen der Verdichtung Porenräume erhalten. Diese fehlen ansonsten der Ionendiffusion bei hoher Verdichtung, was somit die Minimierung der Schichtdicke ohne massive Einbüßen der abrufbaren Kapazitäten bei C-Raten größer 1 begrenzt. Ziel mittels der Kalandrierung ist besonders die Maximierung der volumetrischen Energiedichte über 400 mAh pro Kubikzentimeter, bezogen auf die Kathodenbeschichtung.

Sowohl die kontinuierliche als auch die intermittierende Elektrodenkalandrierung wird in Zusammenarbeit mit dem iwb der TU München ausführlich anhand on-line aufzunehmender Daten der Prozessparameter und der Maschinendynamik auf die Belastung analysiert. Hier wird die vorgesehene In-situ-Messung der Spaltweite während der Kalandrierung zur Erfassung der elastischen Rückdehnung entscheidend sein, um im Zusammenspiel aller Daten ein Maschinen-Prozess-Struktur-Modell zu erarbeiten.

Die detaillierte Analyse der Elektroden im Hinblick auf ihre Struktur (z. B. Porenradienverteilung), Weiterverarbeitungs- und elektrischen Eigenschaften dient als Bindeglied zum Struktur-Eigenschaft-Modell, welches den Prozess mit der produzierten Elektrodenqualität in Verbindung setzt. Zur Schärfung des Prozessverständnisses kommt hier der Analyse der Limitierungen in der Zelle anhand der elektrochemischen Impedanzspektroskopie durch das MEET eine besondere Bedeutung zu.

Weiterhin soll den Herausforderungen der Weiterverarbeitbarkeit dicker Schichten begegnet werden, um im Rückschluss aus der Analyse heraus die Möglichkeiten der Verbesserung der Weiterverarbeitungseigenschaften wie Haftung und Benetzbarkeit durch angepasste Prozessführung, insbesondere durch die Temperierung der Kalanderwalzen, zu eruieren.

Schließlich wird der Prozess mit den aufzuwendenden Kosten in Beziehung gesetzt und die Produktivitätssteigerung durch Erhöhung der Durchsatzgeschwindigkeit untersucht, unter Berücksichtigung möglicher Einbußen auf die Produktqualität.

Den Kerngewinn stellt das ausgebaute Prozesswissen und -verständnis zur Optimierung der Prozessführung und Maschinenauslegung zum Aufbau und Betrieb einer zukunftsfähigen Zellfertigung dar. Hinzu kommen produktspezifische Wissensgewinne bezüglich des Verdichtungsverhaltens der verwendeten Materialien insbesondere in Rezeptur-Kombination mit den vielversprechenden Additiven.

Daraus ergibt sich einerseits die kurzfristige Aussicht des Maschinen- und Anlagenbaus, ihre Produkte auf Grundlage der Erkenntnisse weiterzuentwickeln und den Kunden im Hinblick auf die Anwendung zur gezielten Verdichtung von Batterieelektroden zu unterstützen. Die Nutzer profitieren von den Untersuchungen zur Strukturoptimierung zur Maximierung der Elektrodenperformance bezüglich abrufbarer gravimetrischer und, im begrenzten Bauraum noch entscheidenderen, volumetrischen Energiedichte sowie Langlebigkeit.

Mittelfristig können die Ergebnisse zudem auf Materialebene zu deutlichen Produktverbesserungen der Bestandteile beitragen, indem die Leistungsfähigkeit von Aktivmaterialien selbst und durch verbesserte Additive in hochverdichteten Elektroden gesteigert wird.

Das Projekt adressiert explizit die Entwicklung von wissensbasierten Modellen zur Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Maschine, Prozessführung, erzielten Strukturen und Eigenschaften und schließlich den sich daraus ergebenden Qualitätscharakteristika. Die Projektergebnisse werden somit möglichst allgemeingültige, anwendungsnahe Modelle, welche den wissenschaftlichen Fortschritt und die technische Prozesskontrolle unmittelbar beflügeln können. Kurzfristig wird dadurch das publizierte Prozesswissen um entscheidende, grundlegende Erkenntnisse bereichert, worauf mittelfristig aufgebaut werden kann, um die aufgestellten Modelle an weiteren Maschinendimensionen, Prozessparameterkombinationen und Materialien zu verifizieren und detailliert weiterzuentwickeln.