Fertigung hochkapazitiver, strukturierter Elektroden

Die Erlangung von Kenntnissen über die Wirkzusammenhänge zwischen Elektrodenstruktur und Leistungsfähigkeit sowie Zustand der Batterieelektrode und darauf aufbauend ein wissensbasiertes, d. h. gezieltes Design von Elektroden, bedürfen generell eines intensiven Austauschs zwischen Herstellung und experimenteller Analyse der Elektroden einerseits und vertiefter modellbasierter Analyse und Optimierung andererseits. Das gilt umso mehr für Hochkapazitätselektroden, bei denen etliche Produktionsparameter komplett neu einzustellen sind, um funktions- und leistungsfähige Zellen zu erreichen.

Ein rein experimenteller Ansatz ist hoch kostenintensiv und benötigt Jahre, während rein modellbasierte Studien technische Randbedingungen nicht berücksichtigen und quantitativ den starken Einfluss der Prozesstechnik auf reaktionskinetische Parameter nicht abbilden können. Entsprechend ist zwingend eine gemeinsame experimentelle und modelltheoretische Vorgehensweise zur gezielten Herstellung leistungsfähiger Hochenergieelektroden notwendig. Obwohl die beteiligten Partner in der Batteriezellfertigung und Simulation bereits auf langjährige Erfahrungen und ein breites Know-how zugreifen können, wurden bisher keine Studien zu Hochenergieelektroden und zur gezielten Kopplung von modellbasierter und experimenteller Optimierung durchgeführt.

Die gezielte Herstellung und Optimierung von Hochenergieelektroden stellt daher eine Herausforderung dar. Hierfür ist es notwendig, die experimentelle und modellbasierte Optimierung der Elektrodenstruktur für Hochenergieelektroden voranzutreiben. Diese Untersuchung trägt maßgeblich zu einem verbesserten Systemverständnis der Batterieelektrodenfertigung bei, welches für eine erfolgreiche Produktionskostenreduktion und Produktqualitätsverbesserung essenziell ist.

Ziel ist die Kombination von experimentellen und modelltheoretischen Methoden zur Optimierung der Struktur von Elektroden für leistungsfähige Hochenergieelektroden. Der prozesstechnische Teil des Instituts für Partikeltechnik (iPAT) untersucht und evaluiert dabei verschiedene Herstellungsmethoden zur gezielten Einstellung verschiedener Strukturen. Die begleitende Modellierung am Ines erlaubt die Abbildung der Elektrodenstrukturen in ein Modell, sowie die Analyse des Zustandes dieser Elektroden inklusive Korrelation zwischen Struktur, Elektrodenzustand und Leistungsfähigkeit.

Die Modelle werden nach Parametrierung durch die Produktparametercharakterisierung zur konkreten mathematischen Optimierung der Elektrodenstrukturen eingesetzt und resultierende Strukturen analysiert. Daraus resultierende Struktur-Empfehlungen werden wiederum an die prozesstechnischen Projektpartner zur Umsetzung und Validierung übergeben. Gemeinsam werden so iterativ optimale Strukturen für Hochenergie-Elektroden identifiziert.

Durch neue prozesstechnische Entwicklungen wird das „Know-how“ innerhalb der Battery Lab Factory Braunschweig gestärkt, sodass auch eine Anwendung auf neue Materialien und Systeme möglich ist. Ähnlich erlaubt die Entwicklung einer rigorosen Optimierungsmethodik auf Basis von elektrochemischen Modellen eine Anwendung auf andere Systeme oder Optimierungsziele, was mittelfristig eine technische Weiterentwicklung von Elektroden erlaubt, die deutlich über den Rahmen dieses Projektes hinausgeht. Ergebnisse und Erkenntnisse über limitierende Prozesse innerhalb von hochkapazitiven Elektroden können verwendet werden, um grundlegende Zusammenhänge und Designregeln für Elektrodenstrukturierung abzuleiten, welche mittelfristig in wissenschaftlichen Publikationen bereitgestellt werden.

Das Potenzial bei erfolgreicher Etablierung extrem hochkapazitiver Elektroden, ergibt sich durch maßgebliche Effekte, um einerseits in Bezug auf die Produktion von Batteriezellen und anderseits für die Nutzer elektromobiler Anwendungen zu heben. Im Hinblick auf die Batteriezellproduktion kann der Produktionsdurchsatz in kWh pro Zeiteinheit gesteigert und gleichzeitig die Kosten pro kWh gesenkt werden. Dadurch resultieren für den Nutzer der Elektromobilität finanzierbare Lösungen und die Reichweite der Fahrzeuge kann maßgeblich gesteigert werden. Diese technische Erfolgsaussicht hat damit einen wesentlichen Einfluss auf die Nutzerakzeptanz und Durchsetzung der Elektromobilität. Dies wiederum führt zur positiven Wirkung auf die Industrie (Maschinenbau, Batteriezellhersteller, OEM).