Kontinuierlicher Herstellprozess von Elektrodensuspensionen mittels Extrudern

Um kostengünstige und qualitativ hochwertige Batterien herzustellen, verspricht insbesondere die Elektrodenherstellung großes Verbesserungspotenzial. Die Material verarbeitenden Verfahrensschritte bestimmen zudem stark die finale Qualität der Elektroden. Ziel des am Institut für Partikeltechnik der TU Braunschweig durchgeführten Projektes KonSuhl im Rahmen des ProZell-Clusters ist es deshalb, den als Stand der Technik beschriebenen diskontinuierlichen Herstellungsprozess von Elektrodensuspensionen in Planetenmischern durch einen kontinuierlichen Prozess, z. B. durch einen Extruder und andere In-line-Dispergiergeräte zu ersetzen.

Die Extruder bieten den Vorteil einer flexiblen und skalierbaren Produktion der Batteriesuspension. Durch gezielte Zugabe der einzelnen Komponenten können z. B. empfindliche Bestandteile der Suspension kurz vor Ende des Herstellprozesses hinzugegeben und effizient eingemischt werden. Auch ist es möglich, den Leitruß vor Hinzugabe der Aktivmaterialien gezielt zu dispergieren und damit eine optimierte Struktur der Rußagglomerate einstellen zu können. Zudem wird eine effiziente Dispergierung bei hohen Feststoffanteilen ermöglicht, was einen höheren Massendurchsatz durch einen geringeren Trocknungsaufwand bedeutet. Die hohen Feststoffgehalte verringern die Entmischung von Leitruß und Bindern, sodass dickere Schichten mit höherer Kapazität hergestellt werden können. Die Vermeidung einzelner Batches reduziert Qualitätsschwankungen und erlaubt einen vollautomatisierten Betrieb der Elektrodenproduktion durch Kopplung von Dispergier- und Beschichtungsschritt.

Neben praktischen Versuchen soll auch eine Modellbildung für die kontinuierliche Dispergierung durchgeführt werden. Ziel hierbei ist es, Prozess-Struktur- und Prozess-Kosten-Beziehungen aufzustellen.

Zur Erreichung der Projektziele werden zunächst Qualitätskriterien für die Suspensionsherstellung definiert. Hier kommen zum Beispiel die Partikelgrößenverteilung der Leitruße, das Vorhandensein einer Fließgrenze und der Restsauerstoffgehalt der Suspension in Betracht. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf der objektiven Messbarkeit der Größen, die zudem wichtige Einflüsse der Suspensionsherstellung auf die Eigenschaften der Elektrode erfassen.

Eine Hauptaufgabe in diesem Projekt besteht in der Untersuchung des Extrusionsprozesses. Hier sollen die Einflüsse durch verschiedene Schneckengeometrien, unterschiedlicher Zugabepunkte von Feststoff- und Lösemittelkomponenten sowie weiterer Prozessparameter (Feststoffgehalt, Schneckendrehzahl, Intensität der In-line-Entgasung) evaluiert werden. Neben den bereits genannten Qualitätskriterien werden auch die Einflüsse auf die nachfolgenden Prozessschritte Beschichten und Trocken untersucht. Zudem sollen aus Suspensionen mit unterschiedlichen Eigenschaften (z. B. Rußaufschlussgrad, Rheologie) Elektroden hergestellt und charakterisiert werden.

Neben der Anpassung des Extrusionsprozesses an das neue Materialsystem mit dem Ziel der Herstellung beschichtungsfähiger Suspensionen und darauf aufbauend funktionsfähiger Elektroden erfolgt auch eine Etablierung einer kontinuierlichen Inline-Dispergierung. Diese soll als vorgeschalteter Prozess zur Einstellung definierter Rußgrößen dienen, indem Ruß-Lösemittel-Suspensionen dispergiert werden, ohne den Binder und das Aktivmaterial zu schädigen. Eine dem Extruder nach geschaltete Inline-Dispergierung ist ebenfalls Gegenstand der Untersuchungen. Neben der Verknüpfung kontinuierlicher Dispergierprozesse soll auch die Verknüpfung von diskontinuierlichen mit kontinuierlichen Prozessen untersucht werden.

In Hinblick auf die spätere Großserienproduktion wird zudem die Skalierbarkeit des Extrusionsprozesses in Hinblick auf den Durchsatz sowie die Langzeitstabilität des Prozesses evaluiert. Aus den gewonnenen Versuchsdaten sollen abschließend ein Prozess-Kosten-Modell zur Quantifizierung der gesteigerten Wirtschaftlichkeit der Elektrodenproduktion durch den Extrusionsprozess sowie ein Prozess-Qualitätsmodell für die kontinuierliche Suspensionsdispergierung entwickelt werden. Das Prozess-Qualitäts-Modell verbindet die Beanspruchung im Dispergierprozess mit der resultierenden Partikelstruktur und erlaubt damit die Vorhersage von resultierenden Strukturparametern.

Im Rahmen des Projektes werden detaillierte Kenntnisse auf dem Gebiet der kontinuierlichen Suspensionsherstellung für Massenproduktionsprozesse und in nachfolgenden Prozessschritten generiert. Dieses Know-how wird Herstellern von Elektroden, Batteriezellen, Maschinen und Anlagen in Form von Veröffentlichungen (innerhalb von drei Jahren nach Projektstart) bereitgestellt, um die Ergebnisse mit dem Ziel zu nutzen, Deutschland als Vorreiter auf dem Gebiet des Maschinen- und Anlagenbaus an der Weltspitze zu halten und auch die Zellfertigungsindustrie an der Spitze zu etablieren. Innerhalb dieses Projektes entwickelte prozesstechnische Ergebnisse sollen als Grundlage möglichst direkt in die industrielle Entwicklung und Fertigung einfließen. Hier können insbesondere die in diesem Projekt evaluierten Qualitätskriterien genannt werden, welche direkt für die Qualitätssicherung innerhalb einer Großserienfertigung genutzt werden können, aber auch die hinsichtlich Kosten und Qualität optimierte, kontinuierliche Prozessroute. Weiterhin können auch andere Anwendungsfelder, in denen Ruße verarbeitet werden, von der Rußgrößen-Analysemethodik profitieren und Anlagenhersteller Prozess-Know-how für andere Prozesse sammeln. Die Grundlagen hierfür liefern das Prozess-Qualität- und das Prozess-Kosten-Modell.

Die optimierte Suspensionsherstellung mittels Extruder kann zusätzlich langfristig (drei bis fünf Jahre) für neue Batteriesysteme (Lithium-Schwefel-Batterie, Festkörperbatterie) adaptiert werden.

Aufgrund der im Cluster zusammengeführten Expertise wird ein deutlicher Fortschritt im Hinblick auf die Weiterentwicklung und Optimierung der Gesamtprozesskette der Elektroden- und Zellfertigung innerhalb der Projektlaufzeit erwartet. Weiterhin wird die in diesem Projekt verwendete alternative Prozessroute eine diskontinuierliche Prozessführung wahrscheinlich innerhalb von drei Jahren als Standardprozessroute ablösen können.

Das Institut für Partikeltechnik wird die Projektinhalte und die erzielten Ergebnisse in allgemeingültige Erkenntnisse wandeln und somit mittelfristig (zwei bis drei Jahre nach Projektstart) eine Verbreitung der Ergebnisse in ihrer Lehre und Forschung vornehmen. Dies schließt neue Lehrinhalte in ingenieur- und naturwissenschaftlichen Disziplinen ein.