Multiskalenansatz zur Beschreibung des Rußaufschlusses im Dispergierprozess für eine prozess- und leistungsoptimierte Prozessführung

Das Projekt MultiDis beschäftigt sich detailliert mit dem Prozessschritt der Dispergierung zur Herstellung der Beschichtungsmasse von Batterieelektroden von Lithium-Ionen-Batterien. Dieser Schritt steht am Beginn der Prozesskette und hat einen direkten Einfluss auf die Struktur der Elektroden und somit indirekt auf das weitere Verhalten der Elektroden in den nächsten Herstellungsschritten.

Während des Dispergierens werden die zunächst in Pulverform vorliegenden Batteriematerialien in eine homogene Suspension überführt. Anschließend wird diese auf einen Stromsammler aufgebracht und so zu Elektroden verarbeitet. Zu den verarbeiteten Komponenten gehören neben dem Aktivmaterial Bindemittel und ein Leitadditiv, da besonders in Kathodenbeschichtungen das Aktivmaterial eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Als Leitadditiv kommt häufig eine nanoskalige Ruß-Komponente zum Einsatz. Diese ist jedoch im Allgemeinen elektrochemisch inert, sodass eine Erhöhung des Anteils dieser Komponente in der Elektrode zu einer direkten Verminderung der Energiedichte der Zellen führt. Eine optimierte Strukturierung und Verteilung des Leitrußes innerhalb der Elektrodenstruktur erlaubt die Minimierung des Leitadditivanteils und somit eine Steigerung der Energiedichte der Zellen. Die Rußverteilung bzw. Strukturierung der Elektroden kann durch den Dispergierprozess entscheidend beeinflusst werden. Entsprechend ist die fokussierte Betrachtung des Dispergierschrittes innerhalb der Prozesskette und das hierdurch erworbene tiefgehende Verständnis dieses Prozesses ein wichtiger Schritt in Richtung industrieller Batteriezellproduktion.

Im Rahmen dieses interdisziplinären Forschungsvorhabens werden im Technikumsmaßstab prozessierte Zellen unter anderem neuartigen Analyseverfahren unterzogen, die eine ortsaufgelöste und dreidimensionale Rekonstruktion der Rußverteilung erlaubt, die sich durch den Dispergierprozess einstellt. Dies ermöglicht eine Aussage über den Einfluss der Strukturierung der Leitruß-Komponente auf die Leistungsfähigkeit der gefertigten Zellen, welches wiederum die Ableitung leistungsoptimierter Zielstrukturen zukünftiger Lithium-Ionen-Batterieelektroden gestattet. Zeitgleich entsteht ein längenskalenübergreifendes numerisches Modell des Dispergierprozesses, welches einen Einblick in messtechnisch schwer erfassbare Vorgänge zulässt, die für die Strukturierung der Leitruß-Komponente verantwortlich sind.

Aus diesem Projekt abgeleitete Ergebnisse können zur numerisch gestützten Dimensionierung und Optimierung von Dispergieraggregaten sowie zur ressourcenoptimierten Auslegung des Prozesses eingesetzt werden. Hierbei lassen sich neben einer optimierten Strukturierung der Leitruß-Komponente Einsparpotenziale in Bezug auf die Reduktion des Energieeintrages und der Durchlaufzeiten eruieren. Dies trägt maßgeblich zur zeit-, ressourcen- und zieloptimierten Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien bei.

Der Aufbau dieses interdisziplinären Verbundprojekts lässt sich in drei übergeordnete Arbeitspakete gliedern.

1. Prozessierung: Der Schwerpunkt dieses Arbeitspakets besteht in der experimentellen Fertigung von Batterieelektroden im Technikumsmaßstab. Hierbei steht der Dispergierprozess im Fokus, wobei Suspensionen sowohl mit unterschiedlichen Rezepturen als auch unter Variation der Prozessbedingungen hergestellt werden. Als Basis für die Aufklärung der eingestellten Strukturen durch die Variationen des Dispergierprozesses sowie für die Modellbildung werden einerseits unkalandrierte Elektroden hergestellt. Da es sich bei der Kalandrierung jedoch um einen anwendungsrelevanten Prozessschritt handelt, werden zudem ausgewählte Elektroden mit einem festen Parametersatz kalandriert. Darüber hinaus wird die im Rahmen des Projektes entwickelte multiskalige numerische Optimierungsmethodik experimentell final validiert. Weiterhin fließen in diesem Teil des Projekts alle bisher gesammelten Erkenntnisse ein und münden in einer direkt praktisch anwendbaren numerisch gestützten Optimierungsmethodik, welche in einem Experiment im Pilotmaßstab demonstriert wird.

2. Charakterisierung: Die Zielstellung dieses Arbeitspakets besteht in der experimentellen Analyse der hergestellten Suspensionen und Elektroden. Hierbei werden einerseits rheologische Messungen bzw. die Analyse der Partikelgrößenverteilung zur Ermittlung der Rußagglomeratgröße durchgeführt. Ferner ist daran gedacht, hochauflösende tomographische Verfahren dazu zu nutzen, dreidimensionale und ortsaufgelöste Rekonstruktionen der hergestellten Elektroden im Mikrometerbereich zu erstellen. Der Abgleich zwischen den prozessbegleitenden und strukturellen Analysen ermöglicht ein tieferes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und resultierender mikro- und makroskopischer Suspensionsstruktur und liefert wertvolle Hinweise in Bezug auf eine optimierte Prozessführung.

3. Modellierung: Der Fokus Modellierung liegt in der multiskaligen Beschreibung der Vorgänge, welche für den Rußaufschluss im Verlauf des Dispergierprozesses verantwortlich sind. Um Einblicke in die Verteilung der Schergradienten innerhalb des Mischraums zu erhalten, wird auf der Makroskala das im Technikumsmaßstab eingesetzte Dispergieraggregat mittels numerischer Strömungssimulation simuliert. Die Modellierung des Rußaufschlusses erfolgt im Scherfeld eines viskosen Fluids auf der Mikroskala. Nach experimenteller Validierung werden beide Modelle dynamisch gekoppelt, sodass mithilfe dieses multiskaligen Modells numerisch gestützt optimale Prozessbedingungen für den Dispergierprozess abgeleitet werden können.

Die Ergebnisse dieses interdisziplinären Forschungsvorhabens liefern einen entscheidenden Beitrag zur Steigerung der volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte durch effizienteren Einsatz der Leitruß-Komponente mithilfe einer ressourcenoptimierten Dispergierung. Die fokussierte Betrachtung des Dispergierschrittes innerhalb der Prozesskette und das hierdurch erworbene tiefgehende Verständnis dieses Prozesses ist ein wichtiger Schritt in Richtung industrieller Batteriezellproduktion. Die entwickelte multiskalige und validierte Methodik zur modellgestützten Auslegung bzw. Optimierung von Dispergieraggregaten eröffnet hierbei die Möglichkeit, ressourceneffizient und unter Berücksichtigung der Einflüsse auf die Verteilung der Leitruß-Komponente auf der Mikroskala, optimale Werkzeuggeometrie- und Betriebsparameter zu bestimmen. Dies führt zu einer Reduktion der Herstellkosten bei gleichzeitiger Steigerung der Zellqualität.