Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Ziel des Gesamtvorhabens Roll-It ist die Erarbeitung wissensbasierter Handlungsempfehlungen für den Nachtrocknungsprozess, anhand derer bestehende Prozesse bei gleichbleibend hoher Zellqualität und reduziertem Ausschuss materialübergreifend verbessert und neu geplante Anlagen optimal ausgelegt werden können. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens erarbeiteten Handlungsempfehlungen werden im Clusterverbund hochskaliert und an der Forschungsproduktionslinie (FPL) des ZSW überprüft. Anschließend kann eine direkte Übertragung auf den industriellen Produktionsprozess erfolgen.

Zum Erreichen der Projektziele soll zunächst der Zusammenhang zwischen Zelleigenschaften und Restfeuchte untersucht und durch ein geeignetes Qualität-Eigenschafts-Modell abgebildet werden. Aufbauend auf Untersuchungen zum Wärme- und Stofftransport werden Berechnungsmodelle entwickelt, mit denen die Restfeuchte in Abhängigkeit der Art und Intensität des Wärmeeintrags und der Intensivtrocknungsbedingungen beschrieben werden kann. Die Kopplung elektrochemischer und struktureller Untersuchungen ermöglicht das Identifizieren und Definieren von Grenzwerten bezüglich Materialrestfeuchte in den Zellen und maximal einzubringender Energie im Hinblick auf Strukturschädigungen der Materialien.

Zum Erreichen der Ziele des Gesamtvorhabens ist das Ziel des Teilvorhabens Simu-Roll-It die Erstellung und experimentelle Validierung eines Simulationsmodells zur Beschreibung und Berechnung der Intensivnachtrocknung in Abhängigkeit der eingestellten Trocknungsrandbedingungen. Besonderer Wert wird dabei auf die Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der untersuchten Materialsysteme, wie Porosität, Partikelgrößenverteilung, Phasengleichgewicht und Probengeometrie, gelegt. Als Ausgangshypothese wird davon ausgegangen, dass die Trocknungseigenschaften durch eben diese Eigenschaften bestimmt werden und ein geeignetes Simulationsmodell es ermöglicht, die Nachtrocknung neuer Stoffsysteme ohne eine vollständige empirische Untersuchung der Trocknungseigenschaften vorherzusagen. Dadurch reduziert sich der zeitliche und finanzielle Aufwand bei der Prozessauslegung und -optimierung erheblich.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Um zielgerichtet Handlungsempfehlungen für die intensive Nachtrocknung von Elektroden und Separatoren für Lithium-Ionen-Batterieanwendungen liefern zu können, soll eine modellhafte Beschreibung der zugrunde liegenden Wärme- und Stofftransportprozesse basierend auf den Standardmaterialien des Clusters erarbeitet werden. Von besonderem Interesse ist dabei, ob sich das Phasengleichgewichtsverhalten komplexer Elektroden und Separatoren als Summe der Phasengleichgewichte der Einzelkomponenten beschreiben lässt. Für nicht partikuläre Stoffsysteme konnte ein solches Verhalten in der Arbeitsgruppe bereits experimentell belegt werden.

Sollten sich die hier gegenständlichen Stoffsysteme ähnlich verhalten, würde dies den zukünftigen Aufwand bei der Charakterisierung neuer Elektroden und Separatoren mit veränderten Zusammensetzungen entscheidend reduzieren. Es müssten dann nur einmalig die verwendeten Einzelkomponenten charakterisiert werden. Das Phasengleichgewicht der fertigen Schichten könnte ohne weitere Charakterisierung mit Hilfe der bekannten Schichtzusammensetzung berechnet werden.

Aus diesem Grund werden zunächst die Einzelkomponenten der Referenzsysteme untersucht. Die Auswahl geeigneter Referenzsysteme erfolgt innerhalb des Forschungsvorhabens in enger Abstimmung mit den Clusterpartnern. Die Charakterisierung der Stoffsysteme erfolgt begleitend durch das iPAT. An den Referenzsystemen werden exemplarisch grundlegende Untersuchungen zur Auswirkung von Mikro- und Makrostruktur auf den Stofftransport durchgeführt. Die gewählten Stoffsysteme sollen nicht nur einen repräsentativen Charakter (Partikelgröße, Partikelform, Bindertyp, Porengröße etc.) für einen großen Teil der im Cluster verwendeten Stoffsysteme besitzen, sondern auch gute Voraussetzungen hinsichtlich Charakterisierungsmöglichkeiten aufweisen. Für die Elektroden wird zunächst jeweils ein Referenzsystem für Anode und Kathode identifiziert. Bei den Separatoren ist geplant, zunächst einen keramischen und einen nicht-keramischen Separator zu charakterisieren.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die in dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse werden bewertet, um eine Handlungsempfehlung zu erarbeiten, mittels derer der Nachtrocknungsprozess effizienter und zielführender gestaltet werden kann. Die Handlungsempfehlung schließt das Verständnis, welche Restfeuchten die Zellqualität in welchem Maße beeinflussen, die Art und Intensität des Wärmeeintrags und den Abtransport der Feuchte ein. Es findet demnach eine Verknüpfung der Erkenntnisse aus dem Qualitäts-Eigenschafts-Modell und dem Prozess-Qualitäts-Modell statt.

Ebenso wird das Handling der getrockneten Elektroden und Separatoren in die Empfehlung einfließen. Die Kosteneffizienz wird in Abhängigkeit der Trocknungsart und -parameter (Prozess-Kosten-Funktion) bewertet, wobei besonders der Vergleich der IR-basierten Trocknung und der konduktiven Trocknung betrachtet wird. Die aus der erarbeiteten Handlungsempfehlung resultierenden Schritte zur Optimierung des Nachtrocknungsprozesses werden in Zusammenarbeit mit dem ZSW an der dort verfügbaren FPL unter Berücksichtigung der anlagenseitigen Möglichkeiten überprüft. Im Anschluss kann die Übertragung auf den industriellen Produktionsprozess erfolgen. Um diese Übertragung in ihrem Spektrum zu erweitern, werden Erkenntnisse aus Zusammenarbeiten mit vernetzen Cluster-Projekten zurückgespiegelt und verwertet.

Der Schwerpunkt der geplanten Arbeiten in diesem Teilvorhaben liegt auf der Simulationsseite. So werden iterativ optimale Prozessbedingungen erarbeitet und an der FPL in Ulm überprüft.

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.08.2016 bis 30.09.2019
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 856.705,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: 856.705,00 €

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Die Nachtrocknung von Elektroden und Separatoren direkt vor dem Verbau zu Zellen stellt nach derzeitigem Stand der Technik den energieintensivsten Prozessschritt der Batteriezellproduktion dar, obwohl physikalisch gesehen nur geringe Mengen sorptiv gebundenen Wassers entfernt werden müssen. Es besteht demnach ein enormes Potenzial zur Energie- und Kosteneinsparung durch eine verbesserte Prozessführung bei gleichzeitiger Steigerung des Durchsatzes. Basis für eine solche Prozessoptimierung ist ein grundlegendes Verständnis der Wärme- und Stofftransportprozesse während der Intensivnachtrocknung. Bislang beruht die Prozessauslegung zumeist auf rein empirischem Wissen und nicht auf wissenschaftlich begründeten Modellvorstellungen.

Ziel des Projektes ist die Erarbeitung wissensbasierter Handlungsempfehlungen für den Nachtrocknungsprozess, anhand derer bestehende Prozesse bei gleichbleibend hoher Zellqualität und reduziertem Ausschuss materialübergreifend verbessert und neu geplante Anlagen optimal ausgelegt werden können. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens erarbeiteten Handlungsempfehlungen werden im Clusterverbund ProZell hochskaliert und an der Forschungsproduktionslinie (FPL) des ZSW überprüft. Anschließend kann eine direkte Übertragung auf den industriellen Produktionsprozess erfolgen.

Zum Erreichen der Projektziele soll zunächst der Zusammenhang zwischen Zelleigenschaften und Restfeuchte untersucht und durch ein geeignetes Qualität-Eigenschafts-Modell abgebildet werden. Aufbauend auf Untersuchungen zum Wärme- und Stofftransport werden Berechnungsmodelle entwickelt, mit denen die Restfeuchte in Abhängigkeit der Art und Intensität des Wärmeeintrags und der Intensivtrocknungsbedingungen beschrieben werden kann. Die Kopplung elektrochemischer und struktureller Untersuchungen ermöglicht das Identifizieren und Definieren von Grenzwerten bezüglich Materialrestfeuchte in den Zellen und maximal einzubringender Energie im Hinblick auf Strukturschädigungen der Materialien.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Zu Beginn des Projekts werden Untersuchungen zum Einfluss des Feuchtegehalts in der Zelle auf die elektrochemische Performance durchgeführt. Einbußen in der Kapazität und Langlebigkeit der Zellen werden mit dem Gehalt und der Position des Restwassers korreliert und quantifiziert (Qualität-Eigenschafts-Modell), um so eine kritische Restfeuchte abzuleiten. Darüber hinaus wird der Einfluss der Nachtrocknung auf die strukturellen und mechanischen Eigenschaften untersucht.

Um zielgerichtet Handlungsempfehlungen für die intensive Nachtrocknung von Elektroden und Separatoren für Lithium-Ionen-Batterieanwendungen liefern zu können, soll eine modellhafte Beschreibung der zugrundeliegenden Wärme- und Stofftransportprozesse erarbeitet werden. Hierzu wird zunächst grundlegend das Phasengleichgewichts- und Diffusionsverhalten ausgewählter Anoden, Kathoden und Separatormaterialien untersucht. Anschließend wird der Einfluss der Schichtstruktur (Porosität, Partikelgrößen- und Porenradienverteilung, Schichtzusammensetzung etc.) auf den Wärme- und Stofftransport bei der Trocknung untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine Modellbildung (Prozess-Qualitäts-Funktion), die eine Prozessauslegung und/oder Prozessoptimierung rein auf Basis von experimentell bestimmten physikalischen Material- und Schichteigenschaften ermöglicht.

Als Grundlage für weiterführende Untersuchungen im R2R-Prozess wird zunächst ein statischer Versuchsaufbau gewählt. An diesem Versuchsaufbau erfolgen Trocknungsversuche an beschichteten Materialien, welche als Eingangsgröße für die nachfolgenden Arbeitspakete bereitgestellt werden und zum Abgleich mit den entwickelten Trocknungsmodellen dienen. Im weiteren Projektverlauf wird ein flexibles R2R-System im Pilotmaßstab entwickelt. Dabei stehen die Kopplung der R2R-Einheit mit einem Temperaturmesssystem und einer Erwärmungseinheit sowie die kontinuierliche Kontaktierung der Stromsammler zur konduktiven Erwärmung im Vordergrund.

Die Kinetik der Wiederaufnahme von Luftfeuchte durch bereits nachgetrockneten Elektroden und Separatoren muss sich während der Produktion von Zellen in der Handhabung der Materialwickel widerspiegeln und ist dennoch nicht systematisch untersucht. Aus diesem Grund wird die Wiederaufnahme von Luftfeuchte aus der Gasphase in Abhängigkeit der Materialeigenschaften erforscht. Es wird zunächst davon ausgegangen, dass die Wiederbefeuchtung den gleichen physikalischen Gesetzmäßigkeiten folgt wie die Entfeuchtung und mit Hilfe der zuvor entwickelten Modelle beschrieben werden kann. Zur Überprüfung und ggf. Anpassung der vorhergesagten Wiederaufnahmekinetiken werden technisch relevante Szenarien der Prozesskette nachgebildet, wobei Elektroden- und Separatorwickel definiert konditioniert werden. Damit lassen sich Rückschlüsse auf kritische Prozesszustände ziehen, wodurch der gesamte Prozess hinsichtlich minimaler Wiederaufnahme von Feuchtigkeit optimiert werden kann.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die in dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse werden bewertet, um eine Handlungsempfehlung zu erarbeiten, mittels derer der Nachtrocknungsprozess effizienter und zielführender gestaltet werden kann. Diese Handlungsempfehlung schließt das Verständnis, welche Restfeuchten die Zellqualität in welchem Maße beeinflussen, die Art und Intensität des Wärmeeintrags und den Abtransport der Feuchte mit ein. Ebenso wird das Handling der getrockneten Elektroden und Separatoren in die Empfehlung mit einfließen. Eine Bewertung der Kosteneffizienz in Abhängigkeit der Trocknungsart und Trocknungsparameter (Prozess-Kosten-Funktion) wird durchgeführt, wobei besonders der Vergleich der IR-basierten Trocknung und der konduktiven Trocknung betrachtet wird.

Die aus der erarbeiteten Handlungsempfehlung resultierenden Schritte zur Optimierung des Nachtrocknungsprozesses werden in Zusammenarbeit mit dem ZSW an der dort verfügbaren FPL unter Berücksichtigung der anlagenseitigen Möglichkeiten überprüft. Im Anschluss kann die Übertragung auf den industriellen Produktionsprozess erfolgen. Um diese Übertragung in ihrem Spektrum zu erweitern, werden Erkenntnisse aus Zusammenarbeiten mit vernetzen Cluster-Projekten zurückgespiegelt und verwertet.

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil, portabel, stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

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

Teilprojektleiter

Herr Dr. Philip Scharfer
Verbundprojektleiter
Karlsruher Institut für Technologie - Institut für Thermische Verfahrenstechnik
Thin Film Technology
Kaiserstraße  12
76131 Karlsruhe
zum Internetauftritt

Telefon: +49 721 608-29069
E-Mail: philip.scharfer@kit.edu

Verbundprojektleiter

Herr Dr. Philip Scharfer
Karlsruher Institut für Technologie
Thin Film Technology
Str. am Forum 7
76131 Karlsruhe
Telefon: +49 721 608-29069

Pressekontakt für Teilprojekt

Herr Dr. Philip Scharfer
Telefon: +49 721 608-29069
E-Mail: philip.scharfer@kit.edu

Pressekontakt für Verbundprojekt

Herr Dr. Philip Scharfer
Str. am Forum 7
76131 Karlsruhe
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E-Mail: philip.scharfer@kit.edu