Fertigung hochkapazitiver, strukturierter Elektroden

Zu hohe Kosten und unzureichende Energiedichte limitieren derzeit den breiten Einsatz der Elektromobilität. Daher wurde in den vergangenen Jahren intensiv an der F&E neuer Aktivmaterialien gearbeitet. Ebenso wichtig und vielversprechend ist die Entwicklung optimierter Elektrodendesigns und darauf abgestimmter Produktionsprozesse. Hier setzt das beantragte Gesamtvorhaben HighEnergy an. Durch Einsatz deutlich dickerer Elektroden im Vergleich zum Stand der Technik lässt sich die Energiedichte des Elektrodenstapels bei gleichzeitiger Materialeinsparung an Kollektorfolien signifikant steigern und die Durchsatzgeschwindigkeit der nachfolgenden Zellassemblierung - über die reduzierte Anzahl der Elektrodenlagen - erhöhen.

Die in der Batterieindustrie als Elektrodenherstellungsverfahren eingesetzte Schlitzgussbeschichtung muss insbesondere im Hinblick auf strukturierte intermittierende Beschichtung weiterentwickelt werden. Die Herausforderungen liegen dabei auf der Erreichung der hohen Qualitätsanforderungen an die Elektrodenschicht bei gleichzeitiger Erreichung industrierelevanter Anlagendurchsätze.

Simultaner Mehrlagenschlitzgussauftrag unterschiedlicher Materialzusammensetzung in einem Schritt ermöglichen gezielte Eigenschaftsgradienten in der Elektrode. Während eine allgemeine Theoriebildung der Prozessfenster von Einlagenschlitzguss vorhanden ist, ist diese für den simultanen Mehrlagenschlitzguss noch unzureichend. Während des Trocknungsschrittes bildet sich die finale, eigenschaftsbestimmende Elektrodenmikrostruktur aus. Die Porenstruktur sowie die Verteilung der Aktivmaterialpartikel und der passiven, funktionalen Additive sind für die Schichtqualität von herausragender Bedeutung. Wesentliche Parameter wie Haftkraft, Leitfähigkeit, Binderverteilung oder die elektrochemische Performance sind direkt an die Trocknungsrandbedingungen gekoppelt.

Die Verfahrensauswahl beruht derzeit auf Erfahrungswerten, da ein detailliertes Prozessverständnis der Stapelbildung nicht vorhanden ist. Eine Methodik für die Identifikation der Parameterzusammenhänge innerhalb der Stapelbildung ist jedoch nicht bekannt. Eine Auswirkung des fehlenden verfahrensübergreifenden Prozessverständnisses der Assemblierung und deren Auswirkung auf die Zellen sind die derzeit sehr engen Toleranzvorgaben bzgl. der Assemblierungsgenauigkeit. Für die Anpassung und Weiterentwicklung der Stapelverfahren für dicke Elektroden ist ein umfassendes Prozessverständnis der Zusammenhänge innerhalb der Stapelbildung zwingend erforderlich.

Zudem weisen derzeitige Verfahren teilweise bereits bei derzeitigen Beschichtungsdicken Einschränkungen hinsichtlich der Verarbeitbarkeit auf. Etwa bei prismatischen Wickelzellen sind Defizite in den Alterungseigenschaften im Biegebereich festzustellen. Bei runden Wickelzellen besteht die Gefahr der Abplatzung der Beschichtung beim Wickeln.

Vielversprechende Ansätze für die Verarbeitung von dicken Elektroden sind das Einzelblattstapeln sowie das kontinuierliche Helixverfahren. Somit lässt sich zusammenfassend festhalten, dass für die Stapelbildung von dicken Elektroden zum einen der Aufbau eines Prozessverständnisses der Stapelbildung notwendig ist. Zum anderen ist eine Weiterentwicklung und Optimierung der Verfahren Einzelblattstapeln und Helix hinsichtlich Ihrer Eignung der Verarbeitbarkeit von dicken Elektroden durchzuführen.

Ziel der Forschungsaktivitäten der Arbeitsgruppe Thin Film Technology des KIT ist die grundlegende Erforschung der Prozessschritte Beschichtung und Trocknung von dicken Elektroden. Bei der Beschichtung liegt der Schwerpunkt bei der intermittierenden Beschichtung und der Multilagenbeschichtung von dicken Elektroden. Während bei der Trocknung die Strukturausbildungsmechanismen und die Einflüsse der Prozessparameter auf die Eigenschaften der dicken Elektroden im Vordergrund stehen.

Das Institut für Produktionstechnik (wbk) erforscht im Rahmen des Projektes die Stapelbildung mit dicken Elektroden. Ziel der Untersuchungen ist die Schaffung eines Prozessverständnisses für den Prozessschritt Stapelbildung. Hierfür wird ein Modell zur Beschreibung der Wirkzusammenhänge erarbeitet. Hauptaugenmerk der Untersuchungen liegt hierbei auf dem Einfluss der Beschichtungsdicke. Anhand der beiden Stapelbildungsverfahren Einzelblattstapelung und Helixverfahren werden Stapel mit dicken Elektroden hergestellt und analysiert. Daher ist ein weiteres Ziel die Optimierung der Stapelbildungsverfahren hinsichtlich der Verarbeitbarkeit dicker Elektroden.

Die Forschungsergebnisse für die Stapelbildung von dicken Elektroden stellen grundlegende Erkenntnisse dar, welche dem deutschen Maschinen- und Anlagenbau ermöglichen, auf diesem Gebiet durch das gewonnene Prozessverständnis der Stapelbildung, neue industrielle Anlagen zu entwickeln. Das aufgebaute grundlegende Prozessverständnis bei der Beschichtung und Trocknung von dicken Elektroden soll das Scale-up in die industrielle Umsetzung ermöglichen. Die Produktionsprozesse sollen frühzeitig optimiert werden können sowie die Grenzen der industriellen Elektrodenherstellungsprozesse definiert sein. Die Erkenntnisse sollen direkt zur Optimierung der Beschichtungs- und Trocknungsprozesse bei deutschen Zellherstellern auf bestehender Anlagentechnik umsetzbar sein.