ProKal

Prozessmodellierung der Kalandrierung energiereicher Elektroden

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.08.2016 bis 30.09.2019
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 862.290,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: 862.290,00 €

 

Projektpartner Teilprojekte auf Karte zeigen

Teilprojekt 1

Entwicklung von Modellen zur Beschreibung der Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehung sowie Aufstellung eines Kostenmodells

Förderkennzeichen: 03XP0077A

Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Battery LabFactory Braunschweig
38106 Braunschweig
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Teilprojekt 2

Untersuchung der Kalandrierung von Dickschichtelektroden hinsichtlich des Maschinenverhaltens und der Weiterverarbeitbarkeit

Förderkennzeichen: 03XP0077B

Technische Universität München, Fakultät für Maschinenwesen - Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften
85748 Garching
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Teilprojekt 3

Korrelation der Performanz einer Batterie mit den resultierenden Parametern des Verdichtungsprozesses bei der Elektrodenprozessierung

Förderkennzeichen: 03XP0077C

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
48149 Münster
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Fördergeber: BMBF, Referat 511

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil:
Technologie- und Innovationsförderung

Förderart:
PDIR

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Entscheidend für den Erfolg von mobilen Energiespeichern sind deren volumetrische und gravimetrische Energiedichte. Zu deren Erhöhung werden einerseits hochkapazitive Aktivmaterialien entwickelt, andererseits können deutliche Steigerungen durch hohe Aktivmaterialanteile und Massenbeladungen erzielt werden.

Den entscheidenden Einfluss auf die resultierende volumetrische Energiedichte hat der Prozess der Verdichtung: die Kalandrierung. Neben der signifikanten Verringerung des Schichtvolumens führt die Verdichtung zur deutlichen Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit von Beschichtungen mit intrinsisch gering leitfähigen kathodischen Aktivmaterialien.

Weiterhin können die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung verbessert werden: Zum einen ist die Haftfestigkeit innerhalb der Schicht und an der Grenzfläche zum Substrat bedeutend für die weiterführende Handhabbarkeit und zum anderen beeinflussen die plastische und elastische Verformbarkeit die Stabilität der Elektroden gegenüber den ionischen Ein- und Auslagerungsprozessen. Die deutliche Verringerung der Porosität reduziert jedoch die elektrochemisch aktive Oberfläche und die für die Ionendiffusion notwendigen Transportkanäle. Ein wichtiges Ziel der Kalandrierung ist dementsprechend die Optimierung der Porenstruktur. Folglich ist das Prozessverständnis entscheidend, um gezielt die optimale Poren- und Partikelstruktur und günstige mechanische Eigenschaften einstellen zu können.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Am iPAT wurde und wird die Kalandrierung heute üblicher, kontinuierlich gefertigter Elektroden seit sieben Jahren in verschiedenen Projekten untersucht, wobei unterschiedliche Methoden zur Charakterisierung von Struktur und mechanischen Größen entwickelt wurden. Das vorgeschlagene Projekt entwickelt die vorhandenen Kenntnisse für energiereiche, kontinuierlich und insbesondere auch absatzweise beschichtete Kathoden sowie Anoden mit hohen Flächengewichten und hochkapazitiven Aktivmaterialien NMC-622 sowie Silicium-Graphit sinnvoll weiter.

Zur Erhöhung der beschränkten Leitfähigkeit der Dickschichtelektroden werden verschiedene Leitadditive getestet. Im Anschluss wird das Verdichtungsverhalten kontinuierlich und absatzweise beschichteter energiereicher Elektroden sowie die Möglichkeiten zur Steigerung der Elektrodenperformance, aber auch der Bahngeschwindigkeit und somit der Produktivität untersucht.

Die Prozessdaten dienen mit den ausführlichen Ergebnissen zur Produktcharakterisierung (insbesondere Porosimetrie) der Weiterentwicklung sowie Kalibrierung eines schon am iPAT erarbeiteten Prozess-Struktur-Eigenschaftsmodells für die Kalandrierung kontinuierlich beschichteter Elektroden mit vergleichsweise geringer Schichtdicke. Anoden und Kathoden mit meistversprechener Struktur sollen miteinander zu Zellen verbaut und elektrochemisch, insbesondere auch am MEET impedanzspektroskopisch, untersucht werden, um die Elektroden und das Produkt Zelle global hinsichtlich der erzielten Energiedichte sowie der elektrochemischen Leistungsfähigkeit zu bewerten und detaillierte Aussagen über die erreichten Ionen- und Elektronentransporteigenschaften zu treffen.

Auf Basis der langjährigen Erfahrung des iwb in der Optimierung des dynamischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen, soll neben den in Braunschweig und Münster betrachteten Prozess-Struktur-Eigenschaft-Beziehungen die Wechselwirkung zwischen der Maschinendynamik, den Prozessparametern und den Materialeigenschaften untersucht werden. Insbesondere bei absatzweise beschichteten Elektroden und hohen Schichtdicken muss die Maschinendynamik regelungstechnisch so beherrscht werden, dass dauerhaft und reproduzierbar Elektroden mit gleich hoher Qualität verdichtet werden.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Das Prozessverständnis zur gezielten Elektrodenkalandrierung ist von wesentlicher Bedeutung für eine international konkurrenzfähige Zelle und adressiert im Speziellen die Entwicklung von Prozess-Qualität-, Prozess-Kosten- sowie Qualität-Eigenschaft-Beziehungen. Im Hinblick auf die Gesamtclusterziele und eine geeignete Verknüpfung zu nachgeschalteten Prozessschritten sollen für die Weiterverarbeitbarkeit bedeutsame Eigenschaften (Haftfestigkeit, Benetzbarkeit) untersucht werden und die Elektroden an andere ProZell-Clusterprojekte zu den Prozessschritten Elektrodenkonfektionierung, Befüllung und Formierung zwecks Bewertung der weiteren Verarbeitbarkeit weitergegeben werden. Zur Produktivitätssteigerung wird außerdem die Wirkung höherer Durchlaufgeschwindigkeiten geprüft. Durch die produktionstechnische Betrachtung der Maschinendynamik sollen des Weiteren die deutschen Maschinen- und Anlagenbauer gezielt gestärkt werden.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil, stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

Schlagworte der Teilprojekte des Verbundprojekts

Teilprojekt 1

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode NMC Nickelreich 6:2:2

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Anode silicium-haltig Komposit mit Kohlenstoff

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Format Pouch

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Dickschichtelektrode

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Hochenergiesystem

Forschungsgegenstand

Zelle Elektroden Anode

Zelle Elektroden Anode Additive Leitfähigkeitsadditive

Zelle Elektroden Anode Additive Porenbildner

Zelle Elektroden Kathode

Zelle Elektroden Kathode Additive Porenbildner

Zelle Elektroden Kathode Additive Leitfähigkeitsadditive

Forschungsbereiche

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Kalandrieren

Produktion Testzelle mit Polymerelektrolyt Elektrodenfertigung Kalandrieren bei erhöhter Temperatur

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Kostenmodell

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Qualitätsmodell

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Durchsatzzeit

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Energiedichte

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Maschine-Prozess-Strukturbeziehung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Prozess-Eigenschaftsbeziehungen

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Struktur-Eigenschaftsmodell

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Leitfähigkeit

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Verarbeitbarkeit

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Struktur

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Struktur-Eigenschaftsbeziehungen

Anwendungsfelder

mobil

stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Teilprojekt 2

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode NMC Nickelreich 6:2:2

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Anode silicium-haltig Komposit mit Kohlenstoff

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Dickschichtelektrode

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Hochenergiesystem

Forschungsgegenstand

Zelle Produktionsequipment Kalander

Zelle Elektroden

Forschungsbereiche

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Kalandrieren

Produktion Testzelle mit Polymerelektrolyt Elektrodenfertigung Kalandrieren bei erhöhter Temperatur

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Verarbeitungsfähigkeit

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Maschine-Prozess-Strukturbeziehung

Analytik und Charakterisierung Maschinencharakterisierung

Analytik und Charakterisierung Methode physikalisch Laser-Vibrometrie

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Teilprojekt 3

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode NMC Nickelreich 6:2:2

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Anode silicium-haltig Komposit mit Kohlenstoff

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Dickschichtelektrode

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Hochenergiesystem

Forschungsgegenstand

Zelle Elektroden Anode

Zelle Elektroden Anode Additive Leitfähigkeitsadditive

Zelle Elektroden Anode Additive Porenbildner

Zelle Elektroden Anode Aktivmaterial

Forschungsbereiche

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Kalandrieren

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Energiedichte

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Kosten

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Struktur-Eigenschaftsmodell

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Bauteil- und Komponentenentwicklung Elektrode Rezeptur

Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch Cyclovoltammetrie

Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch galvanostatische Zyklisierung

Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch Impedanzspektroskopie

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Leitfähigkeit

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Verbundprojektleiter

Herr Prof. Dr. Arno Kwade
Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig
Battery LabFactory Braunschweig / Institut für Partikeltechnik
Volkmaroder Str. 5
38104 Braunschweig

Telefon: +49 531 391-9610
Fax: +49 531 391-9633
E-Mail: a.kwade@tu-braunschweig.de


Pressekontakt

Frau Katja Geier
Langer Kamp 8
38106 Braunschweig
Telefon: +49 531 391-94663
Fax: +49 531 391-9633
E-Mail: k.geier@tu-braunschweig.de

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