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VARTA Microbattery GmbH

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Referat 523: Werkstoffinnovationen, Batterie; Hereon, KIT

Referat 525: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt Referat 525: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt

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Ein zu erstrebendes Ziel für Li-Ionen-Batteriezellen ist die Maximierung der Energiedichte. Eine hohe Energiedichte ist einerseits über die Materialzusammensetzung und damit über die Steigerung der spezifischen Energiedichte erreichbar. Andererseits wird innerhalb des Herstellungsprozesses die volumetrische Energiedichte beeinflusst und zum Optimum gebracht.
Der entscheidende Prozessschritt ist das Kalandrieren der Elektroden, bei welchem die Energiedichte über das Verdichten des Aktivmaterials erhöht wird. Dabei wird die Elektrodendichte erhöht beziehungsweise die Porosität verringert. Die Kombination aus den Rezepturbestandteilen und der Kollektorfolie führen durch die Verdichtung zu Eigenspannungen, welche sich in Wellen im beschichteten Bereich und einer Faltenbildung im nicht beschichten Bereich, den sogenannten Wrinkles, ausdrücken. Die Fehlerbilder treten bei Kathoden aufgrund der keramischen Materialeigenschaften und den spezifischen Besonderheiten der Aluminiumfolie verstärkt auf.
Die Wrinkles führen zu einem Verlust der Adhäsionskraft am Beschichtungsrand, sodass es zum Ausbruch der Beschichtung führen kann. Des Weiteren kann nicht sichergestellt werden, dass die Toleranzen beim Kontaktieren der faltenbehafteten Ränder sowie die Toleranzen bei der Zellassemblierung gewährleistet werden können. Aufgrund dessen trägt dies zu einer Verringerung der Batteriezellqualität bei. Das Ziel des Vorhabens ist es eine faltenfreie Bearbeitung der Elektroden für heutige und zukünftige Materialsysteme zu ermöglichen. Es erfolgen Untersuchungen zur quantifizierbaren Beschreibung der Ursache der Faltenbildung, indem eine In-Line Qualitätssicherung zur Aufnahme der Dehnung der Elektrode aufgebaut wird und mikroskopische Multiskalenanalysen erfolgen. Dies bildet die Grundlage, um ein Zusatzmodul am Kalander innerhalb des Vorhabens zu konzipieren und aufzubauen.
Somit ist schlussfolgernd eine höhere Verdichtung und volumetrische Energiedichte sowie eine Qualitätsverbesserung möglich.
Das Ziel des Vorhabens ist es eine faltenfreie Bearbeitung der Elektroden für heutige und zukünftige Materialsysteme zu ermöglichen. Es erfolgen Untersuchungen zur quantifizierbaren Beschreibung der Ursache der Faltenbildung, indem eine In-Line Qualitätssicherung zur Aufnahme der Dehnung der Elektrode aufgebaut wird und mikroskopische Multiskalenanalysen erfolgen. Dies bildet die Grundlage, um ein Zusatzmodul am Kalander innerhalb des Vorhabens zu konzipieren und aufzubauen.
Somit ist schlussfolgernd eine höhere Verdichtung und volumetrische Energiedichte sowie eine Qualitätsverbesserung möglich.

Das Vorgehen beginnt mit einer Situationsanalyse der Bearbeitung von Kathodenbändern an einem Großkalander. Dabei erfolgen Variationen indem die Flächenbeladung und die verwendeten Kollektorfolien unterschiedlich gehalten werden. Zudem sind zwei Verdichtungsstufen definiert.
Über eine DoE und damit einer Variation der anlagenseitigen Bearbeitungsparameter können die Wirkzusammenhänge zwischen den Prozess- und den Materialparametern beschrieben werden, wobei die Materialparameter vor allem die Beschreibung der Verzerrung der Elektrode und der Wrinkles beinhaltet. Die Verzerrung der Elektrode wird aufgenommen indem ein Muster auf die Elektrode aufgedruckt wird und dessen Verformung im dreidimensionalen Raum aufgenommen wird.
Das kalandrierte Material wird mit den aufgenommen Fehlerbildern weiter zum Batteriezellbau genutzt und mit weiteren unterschiedlichsten Methoden untersucht. Dies ist für den Aufbau und die iterative Verbesserung des Prozessverständnisses erforderlich. Damit erfolgt nicht nur eine prozesstechnische Sichtweise auf die Problematik der Faltenbildung, sondern dem gesamteinheitlichen Ansatz dienlich ebenso eine Betrachtung der Materialseite. Beispielhaft erwähnt sei hier das Ziel der Aufnahme der Veränderung der Eigenschaften der Kollektorfolie über die Prozessschritte hinweg.
Damit sind quantifizierbare Kenngrößen möglich, die eine Beurteilung zulassen, wann und in welcher Ausprägung Wrinkles am Beschichtungsrand entstehen. Gleichzeitig werden Material- und Prozessparameter zusammengebracht, sodass eine detaillierte Ursacheneingrenzung erfolgen kann.
Die im Vorhaben zu entstehende Gegenmaßnahme zur Faltenbildung erhält somit die Randbedingungen, sodass ein geeignetes Konzept entstehen kann. Dies mündet in eine Konstruktion und somit einer Umsetzung eines Prototyps an einem industrietauglichen Kalander.
Über die Verarbeitung mit der Gegenmaßnahme wird in den weiteren Prozessschritten nachgewiesen, dass die Toleranzen eingehalten werden und zum anderen, dass die Zellperformance steigt, da eine höhere Verdichtung möglich ist.

Die Ergebnisse der anfänglichen Untersuchungen tragen dazu bei, dass die Wirkzusammenhänge zwischen Materialien, Rezepturen, Wrinkles und Verdichtung besser verstanden werden. Aufgrund dessen sind Materialzusammensetzungen und Prozesse für höhere Verdichtung abzuleiten, weiter zu entwickeln und Rückschlüsse bezüglich der verwendeten Kollektorfolie möglich.
Die hierzu notwendigen neuen Messmethoden machen es nicht nur möglich die Faltenbildung quantifizierbar zu machen, sondern führen auch zu einer Verbesserung und Optimierung des Kalandrierprozesses.
Die neuen Technologien bezüglich der bildverarbeitenden  Methode zur Faltendetektion werden zur In-Line Qualitätssicherung gebracht. Mit der Integration der Qualitätssicherung und dem innerhalb des Vorhabens entstehenden Zusatzmoduls zur faltenfreien Verarbeitung in die Kalandersteuerung kann somit eine  automatisierte Lösung bereitgestellt werden.
Die zum Batteriezellbau verwendeten Materialien variieren mit der Sicht in die Zukunft, sodass aus heutiger Sicht eine Anpassung und damit einer erhöhte Entwicklungszeit der einzelnen Prozessschritte notwendig ist.
Die Lösung ermöglicht es somit unbekanntes Material faltenfrei mit einer hohen Verdichtung und damit einhergehend hohen Energiedichte für Elektroden und Batteriezelle zu bearbeiten.
Bei erfolgreicher Erforschung des Zusatzmoduls ergibt sich für den Batteriezellhersteller die Möglichkeit die Beschichtungsweise nicht an der Verdichtungsrate zu koppeln.
Des Weiteren wird das Wissen rund um die Mikrostrukturbewertung, die Korrelation von Fertigungsschritten mit Mikrostrukturmerkmalen und mit Anwendungseigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien erweitert.

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