ProKal

Prozessmodellierung der Kalandrierung energiereicher Elektroden

Teilprojekt 1

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

Laufzeit: 01.08.2016 bis 30.09.2019

Fördersumme: 452.736,00 €

Projektvolumen: 452.736,00 €
 

ausführende Stelle:

Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Battery LabFactory Braunschweig
Langer Kamp  8
38106 Braunschweig

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 511

Förderkennzeichen: 03XP0077A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Teilprojektes

  • Kalandrierung von kontinuierlich und absatzweise beschichteter NMC-622-Kathoden und Silicium-Kohlenstoff-Anoden mit hoher Massenbeladung
  • Kalandrierprozessvariation zur Verbesserung der Produktivität und weiteren Verarbeitbarkeit
  • Analyse der Porenstrukturveränderungen und der Weiterverarbeitungseigenschaften der kalandrierten Elektroden
  • Modellierung der Prozess-Struktur-Funktion und Prozess-Kosten-Funktion der Kalandrierung
  • Kombination der verdichteten Anoden und Kathoden zu Zellen maximaler Energiedichte


Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

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

Das Teilvorhaben stellt die Kalandrierung als Prozesstechnologie in den Fokus. Zunächst setzt das iPAT seine Kompetenzen der Elektrodenprozessierung zur Fertigung von Elektroden hoher gravimetrischer und volumetrischer Energiedichte durch den Einsatz hochkapazitiver Aktivmaterialien NMC-622 auf der Kathode und Silicium-Graphit auf der Anode sowie die Beschichtung und Trocknung hoher Massenbeladungen ein. Erstes Ziel sind Elektroden mit Kapazitäten über 4 mAh/cm².

Den Limitierungen bezüglich elektrischer und ionischer Leitfähigkeit in dicken Schichten wird mit dem Einsatz von Leit- und Porenadditiven begegnet. Diese sollen einerseits eine ausgeprägte elektrische Kontaktierung durch das gesamte Aktivmaterialgefüge ermöglichen und andererseits im Rahmen der Verdichtung Porenräume erhalten. Diese fehlen ansonsten der Ionendiffusion bei hoher Verdichtung, was somit die Minimierung der Schichtdicke ohne massive Einbüßen der abrufbaren Kapazitäten bei C-Raten größer 1 begrenzt. Ziel mittels der Kalandrierung ist besonders die Maximierung der volumetrischen Energiedichte über 400 mAh pro Kubikzentimeter, bezogen auf die Kathodenbeschichtung.

Sowohl die kontinuierliche als auch die intermittierende Elektrodenkalandrierung wird in Zusammenarbeit mit dem iwb der TU München ausführlich anhand on-line aufzunehmender Daten der Prozessparameter und der Maschinendynamik auf die Belastung analysiert. Hier wird die vorgesehene In-situ-Messung der Spaltweite während der Kalandrierung zur Erfassung der elastischen Rückdehnung entscheidend sein, um im Zusammenspiel aller Daten ein Maschinen-Prozess-Struktur-Modell zu erarbeiten.

Die detaillierte Analyse der Elektroden im Hinblick auf ihre Struktur (z. B. Porenradienverteilung), Weiterverarbeitungs- und elektrischen Eigenschaften dient als Bindeglied zum Struktur-Eigenschaft-Modell, welches den Prozess mit der produzierten Elektrodenqualität in Verbindung setzt. Zur Schärfung des Prozessverständnisses kommt hier der Analyse der Limitierungen in der Zelle anhand der elektrochemischen Impedanzspektroskopie durch das MEET eine besondere Bedeutung zu.

Weiterhin soll den Herausforderungen der Weiterverarbeitbarkeit dicker Schichten begegnet werden, um im Rückschluss aus der Analyse heraus die Möglichkeiten der Verbesserung der Weiterverarbeitungseigenschaften wie Haftung und Benetzbarkeit durch angepasste Prozessführung, insbesondere durch die Temperierung der Kalanderwalzen, zu eruieren.

Schließlich wird der Prozess mit den aufzuwendenden Kosten in Beziehung gesetzt und die Produktivitätssteigerung durch Erhöhung der Durchsatzgeschwindigkeit untersucht, unter Berücksichtigung möglicher Einbußen auf die Produktqualität.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Den Kerngewinn stellt das ausgebaute Prozesswissen und -verständnis zur Optimierung der Prozessführung und Maschinenauslegung zum Aufbau und Betrieb einer zukunftsfähigen Zellfertigung dar. Hinzu kommen produktspezifische Wissensgewinne bezüglich des Verdichtungsverhaltens der verwendeten Materialien insbesondere in Rezeptur-Kombination mit den vielversprechenden Additiven.

Daraus ergibt sich einerseits die kurzfristige Aussicht des Maschinen- und Anlagenbaus, ihre Produkte auf Grundlage der Erkenntnisse weiterzuentwickeln und den Kunden im Hinblick auf die Anwendung zur gezielten Verdichtung von Batterieelektroden zu unterstützen. Die Nutzer profitieren von den Untersuchungen zur Strukturoptimierung zur Maximierung der Elektrodenperformance bezüglich abrufbarer gravimetrischer und, im begrenzten Bauraum noch entscheidenderen, volumetrischen Energiedichte sowie Langlebigkeit.

Mittelfristig können die Ergebnisse zudem auf Materialebene zu deutlichen Produktverbesserungen der Bestandteile beitragen, indem die Leistungsfähigkeit von Aktivmaterialien selbst und durch verbesserte Additive in hochverdichteten Elektroden gesteigert wird.

Das Projekt adressiert explizit die Entwicklung von wissensbasierten Modellen zur Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Maschine, Prozessführung, erzielten Strukturen und Eigenschaften und schließlich den sich daraus ergebenden Qualitätscharakteristika. Die Projektergebnisse werden somit möglichst allgemeingültige, anwendungsnahe Modelle, welche den wissenschaftlichen Fortschritt und die technische Prozesskontrolle unmittelbar beflügeln können. Kurzfristig wird dadurch das publizierte Prozesswissen um entscheidende, grundlegende Erkenntnisse bereichert, worauf mittelfristig aufgebaut werden kann, um die aufgestellten Modelle an weiteren Maschinendimensionen, Prozessparameterkombinationen und Materialien zu verifizieren und detailliert weiterzuentwickeln.


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 €

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

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

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

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

schwarze Schlagworte: charakterisieren das Teilprojekt
graue und schwarze Schlagworte: charakterisieren das komplette Verbundprojekt


Schlagworte zum Teilprojekt

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

Teilprojektleiter

Herr Prof. Dr. Arno Kwade
Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig
Battery LabFactory Braunschweig
Langer Kamp  8
38106 Braunschweig
zum Internetauftritt

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


Alternativer Kontakt

Herr Chris Meyer
wissenschaftlicher Mitarbeiter

Telefon: +49 531 391-94652
Fax: +49 531 391-9633
E-Mail: cmeyer@tu-braunschweig.de


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


Pressekontakt für Teilprojekt

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


Pressekontakt für Verbundprojekt

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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