Der Arbeitsbereich Batterieverfahrenstechnik am Institut für Partikeltechnik (iPAT) beschäftigt sich mit verfahrenstechnischen Fragestellungen für elektrochemische Speichertechnologien, von der Grundlagenforschung bis zur Prozess- und Fertigungstechnik der industriellen Elektroden-produktion. Aufgebaut werden Elektrodenstrukturen basierend auf Kompositpartikeln und strukturierten Partikelbeschichtungen unter Einsatz diverser prozess- und partikeltechnischer Verfahren. Die Prozesskette der Elektrodenfertigung ist im Bereich der Dispergierung für diverse Aggregate im Technikumsmaßstab und im Bereich der Beschichtung und Verdichtung der Elektroden im Pilotmaßstab seit 2007 etabliert und ständig weiterentwickelt worden. Ein händischer Zellbau zur Prüfung der Prozess- und Verfahrensparametervariationen ist in Voll- und Halbzellen umgesetzt und wird im Rahmen der Forschungsplattform „Battery LabFactory Braunschweig (BLB)“ in einen kontinuierlichen Prozess überführt.
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Am Anfang der klassischen Batterieverfahrenstechnik steht das Mischen und Dispergieren der pulverförmigen Ausgangsmaterialien, um eine beschichtungsfähige Suspension zu erhalten. Diese besteht aus unterschiedlichen Aktivmaterialien, inaktiven Komponenten (Leitruße, Leitadditive, Binder) und einem Lösungsmittel. Ziel des Mischens ist es, die pulverförmigen Bestandteile homogen zu vermischen und vorzustrukturieren. Der Dispergierprozess dient dazu die Pulver im Lösungsmittel zu verteilen und die Leitrußpartikel gezielt aufzuschließen, um so definierte Leistungs- und Energieeigenschaften in der Zelle zu erzielen.
Nach der Vorbereitung der Suspensionen für Anoden und Kathoden werden diese über ein Auftragswerkzeug (meist) mittels Nassbeschichtungsverfahren auf stromleitende Folien mit Schichtdicken von 10-20 µm aufgebracht. Diese Verbundfolien stellen bereits eine Elektrode dar, die in nachfolgenden Prozessschritten weiterverarbeitet wird. Bei der industriellen Serienfertigung von Elektroden kommt ein kontinuierliches Schlitzdüsenverfahren zum Einsatz, an das sich in der Regel eine Konvektionstrockenstrecke zur Trocknung der Elektroden anschließt. Die Nassfilmdicke reicht von 150 bis 300 µm und ergibt eine Trockenfilmdicke von mehr als 100 µm. Die Trocknung stellt gegenüber der Beschichtung den geschwindigkeitsbestimmenden Produktionsprozess dar. Typischerweise beträgt die Trocknungsdauer ca. 1 -2 Minuten. Die Dauer hängt dabei insbesondere von der Schichtdicke, dem Feststoffanteil der Suspension und dem verwendeten Lösungsmittel ab. Am Ende dieser Prozesse werden mehrere hundert Meter so genannte Elektrodenspulen auf einen Wickelkern aufgerollt und sind bereit für die Kalandrierung.
Als Kalandrierung wird die kontinuierliche Walzenverdichtung bezeichnet. Dies bedeutet, dass die zuvor im Beschichtungs- und Trocknungsschritt hergestellten Elektroden gezielt auf eine Solldichte kalandriert werden. Strukturelle Eigenschaften wie die Porosität, die Haftfestigkeit oder die Leitfähigkeit der Schicht und damit die elektrochemische Leistung werden maßgeblich beeinflusst. Zusätzlich wird eine Homogenisierung der Schichtdicke erreicht, die für den nachfolgenden Stapelprozess von großer Bedeutung ist.
Innerhalb der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien stehen der Zellbau mit den zuvor hergestellten Elektroden und die elektrochemische Charakterisierung am Ende der Prozesskette. Dies bedeutet, dass die Summe aller einzelner, vorgelagerter Prozessschritte einen Einfluss auf die elektrochemische Leistungsfähigkeit einer Elektrode in einer Batteriezelle besitzt. Die elektrochemische Charakterisierung umfasst hauptsächlich Belastungstests beim Laden und Entladen der Zellen. Diese Testzyklen zeigen, wie gut und wie viel elektrische Ladung in Abhängigkeit von der Höhe des fließenden Stroms in der Batterie gespeichert und wieder entnommen werden kann. Dabei limitiert die langsame Lithiumdiffusion bei hohen Stromdichten die Inter- und Dekalationsprozesse von Lithium in die Aktivmaterialien. Gleichzeitig muss eine hohe elektrische Leitfähigkeit gegeben sein. Diese limitierenden Faktoren gilt es zu identifizieren und mit geeigneten Methoden innerhalb der Prozesskette zu minimieren.
Die steigende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien (LIB) unter anderem begründet im Wachstum der E-Mobilitäts-Branche verursacht ebenfalls einen erhöhten Bedarf an ein nachhaltiges Recyclingverfahren für gebrauchte Batterien. Idealerweise sollten die Batteriematerialien in der höchsten Qualität mit minimalem Aufwand wiedergewonnen werden, um ihren direkten Wiedereinsatz als Batteriematerialien zu verwirklichen. Speziell im Bereich der wertvollen Batterie-Aktivmaterialien ist ein solches Vorgehen ökonomisch wie ökologisch sinnvoll. Daher wird in der Arbeitsgruppe der Batterieverfahrenstechnik ein intelligentes Recycling-Verfahren für alle wertvollen Inhaltsstoffe der Batterie entwickelt.
Während der Nutzung einer Batterie können durch verschiedene missbräuchliche externe Belastungen, oder auch Produktionsfehler ungewollte Reaktionen innerhalb der Zelle auftreten, die die gespeicherte elektrische Energie schlagartig in thermische Energie umwandeln und einen Thermal Runaway zur Folge haben können. Daher werden Sicherheitsuntersuchungen durchgeführt um sowohl die Vorgänge des Thermal Runaways besser zu verstehen als auch die Aussagekraft und Reproduzierbarkeit der aktuellen Testprozeduren zu steigern und durch Standardisierung zu verschlanken, sodass die Test- und Zulassungsbedingungen auf den Leitmärkten (China, EU, USA) harmonisiert werden können.
Die Leistungsfähigkeit einer Lithium-Ionen Batterie hängt sehr stark von den mechanischen Eigenschaften der einzelnen Elektroden ab. Dabei sind nicht nur die Eigenschaften der gesamten Elektrode zu betrachten, sondern zusätzlich das Verhalten einzelner Partikel.
Die Diskrete Elemente Methode (DEM) bietet die Möglichkeit das mechanische Verhalten auf Partikelebene zu simulieren und Vorgänge innerhalb der Elektrode zu verstehen, die durch Experimente nicht oder nur bedingt zugänglich sind. Die Simulation bildet dabei den mechanischen Stress innerhalb einer Elektrode ab, der durch Volumenausdehnungen bei Lithium-Interkalation entsteht, sowie das Verhalten während der Fertigungsprozesse wie Kalandrieren oder das Wickeln einer Rundzelle. Einzelne Bereiche innerhalb der Elektrode können so getrennt untersucht werden und Vorhersagen über die Haftung der Partikel untereinander sowie zum Substrat sind möglich.