MultiDis

Multiskalenansatz zur Beschreibung des Rußaufschlusses im Dispergierprozess für eine prozess- und leistungsoptimierte Prozessführung

Teilprojekt 1

Rekonstruktion und Charakterisierung bzw. Modellierung und Simulation des Rußaufschlusses im Dispergierprozess auf der Mikroskala

Laufzeit: 01.08.2016 bis 30.09.2019

Fördersumme: 609.649,00 €

Projektvolumen: 609.649,00 €
 

ausführende Stelle:

Karlsruher Institut für Technologie - Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (MVM) - Arbeitsgruppe Verfahrenstechnische Maschinen (VM)
Str. am Forum  8
76131 Karlsruhe

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Karlsruher Institut für Technologie

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 511

Förderkennzeichen: 03XP0078A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Teilprojektes

  • Modellierung des Rußaufschlusses innerhalb eines repräsentativen Volumenelementes (RVE) auf der Mikroskala im Scherfeld eines viskosen Fluids
  • Modellierung von Partikel-Partikel- bzw. Partikel-Fluid-Wechselwirkungen mit der Berücksichtigung von Aktivmaterialbruch bzw. vom Aufbruch von Leitrußaggregaten
  • Entwicklung vereinfachter Kinetikmodelle, welche die Strukturbildung in Abhängigkeit der Prozessbedingungen in geeigneter Weise abbilden
  • Kopplung der auf unterschiedlichen Längenskalen (Mikro- und Makroskala) entwickelten Modelle zur Beschreibung des Dispergierprozesses
  • numerisch gestützte Optimierung des Dispergierprozesses im Technikums- und Pilotmaßstab
  • 3D-Mikrostrukturrekonstruktion von Elektrodenstrukturen mittels tomographischer Verfahren (µCT, FIB-REM)
  • Ermittlung der sich durch den Dispergierprozess ausbildenden Leitrußstrukturen


Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verteilung des Leitfähigkeitsadditivs innerhalb der Elektrodenstruktur die Leistungsfähigkeit der gefertigten Batteriezelle entscheidend beeinflusst. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass in Abhängigkeit der gewählten Prozessparameter des Dispergierprozesses auf diese Einfluss genommen werden kann. Neuartige Analysemethoden zur Charakterisierung der Rußverteilung innerhalb der Elektrodenstruktur, die sich durch den Dispergierprozess einstellt, sollen dazu dienen, die Leitrußstruktur in Bezug auf eine gesteigerte Energie- und Leistungsdichte zu optimieren. Gleichzeitig wird das Ziel verfolgt, mittels experimentell validierten numerischen Simulationen einen Einblick in messtechnisch schwer erfassbare Vorgänge zu erhalten, die für die Strukturierung der Leitruß-Komponente verantwortlich sind. Die Zielstellung besteht in der Reduktion des elektrochemisch passiven Leitrußanteils, welches durch eine optimierte Strukturierung und Verteilung innerhalb der Elektrodenstruktur erreicht wird. Auf diese Weise ist eine signifikante Steigerung der volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte möglich.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Die Analyse ortsaufgelöster, dreidimensionaler Rekonstruktionen von Elektrodenmikrostrukturen von Elektroden, die im Rahmen des Projekts hergestellt werden, gibt Aufschluss über den Einfluss der Strukturierung der Leitruß-Komponente auf die Leistungsfähigkeit der gefertigten Zellen. Um den stark variierenden Längenskalen (Leitruß-Agglomerate ~10 bis 1000 nm; Aktivmaterial ~1 bis 30 µm) innerhalb der sich ausbildenden Elektrodenstruktur Rechnung zu tragen, werden die Ergebnisse aus FIB-REM- und µCT-Messungen kombiniert. Daraus resultieren lokal verfeinerte Elektrodenmikrostrukturrekonstruktionen repräsentativer Größe. Für die Rekonstruktion der Mikrostrukturen dienen bereits etablierte Algorithmen, welche die dreidimensionale Abbildung der Verteilung von Aktivmaterial, Porenraum und Leitruß-Komponente ermöglichen. Für die Kombination der Datensätze aus µ-CT- (µ-Skaligkeit) und FIB-REM-Analysen (Nanoskaligkeit) sind Verfahren und Algorithmen zu entwickeln, die es ermöglichen, die Informationen aus beiden Verfahren in einer Rekonstruktion zu vereinen. Zusätzlich wird die effektive elektronische Leitfähigkeit der Elektroden und der Kontaktwiderstand zum Stromableiter mithilfe eines speziell entwickelten Messverfahrens untersucht.

Zeitgleich entsteht ein mehrskaliges numerisches Modell zur Abbildung des Dispergierprozesses. Auf der Mikroskala werden mithilfe eines gekoppelten CFD-DEM-Ansatzes relevante Einflussgrößen zur Strukturierung der Leitruß-Komponente unter Berücksichtigung von Aggregat- und Aktivmaterialbruch im Scherfeld des im Dispergierprozess eingesetzten Lösungsmittels ermittelt. Dieses Modell wird im Anschluss skalenübergreifend mit einem parallel entwickelten makroskaligen Modell zur numerischen Simulation des eingesetzten Dispergieraggregats verknüpft. Durch die Zusammenführung der Erkenntnisse lassen sich so mithilfe des multiskaligen Modellierungsansatzes zur Beschreibung des Dispergierprozesses – numerisch gestützt – optimale Betriebsbedingungen bzw. Werkzeuggeometrien für das eingesetzte Dispergieraggregat ableiten und gleichzeitig die Ergebnisse experimentell validieren. Hierdurch lassen sich Einsparpotenziale in Bezug auf die Reduktion des Energieeintrages und der Durchlaufzeit eruieren.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die Ergebnisse dieses interdisziplinären Forschungsvorhabens liefern einen entscheidenden Beitrag zur Steigerung der volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte durch effizienteren Einsatz der Leitruß-Komponente mithilfe einer ressourcenoptimierten Dispergierung. Die fokussierte Betrachtung des Dispergierschrittes innerhalb der Prozesskette und das hierdurch erworbene tiefgehende Verständnis dieses Prozesses ist ein wichtiger Schritt in Richtung industrieller Batteriezellproduktion. Die entwickelte multiskalige und validierte Methodik zur modellgestützten Auslegung bzw. Optimierung von Dispergieraggregaten eröffnet hierbei die Möglichkeit, ressourceneffizient und unter Berücksichtigung der Einflüsse auf die Verteilung der Leitruß-Komponente auf der Mikroskala optimale Werkzeuggeometrie- und Betriebsparameter zu bestimmen. Dies führt zu einer Reduktion der Herstellkosten bei gleichzeitiger Steigerung der Zellqualität, welches unmittelbar anhand des innerhalb des Clusters definierten Referenzprozesses demonstriert wird.


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.08.2016 bis 30.09.2019
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 952.321,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: 952.321,00 €

Teilprojekt 1: Rekonstruktion und Charakterisierung bzw. Modellierung und Simulation des Rußaufschlusses im Dispergierprozess auf der Mikroskala

Förderkennzeichen: 03XP0078A

Karlsruher Institut für Technologie - Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (MVM) - Arbeitsgruppe Verfahrenstechnische Maschinen (VM)
76131 Karlsruhe

Teilprojekt 2: Strömungssimulative und experimentelle Untersuchung des Dispergierprozesses im Planetenmischer

Förderkennzeichen: 03XP0078B

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

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

Das Projekt MultiDis beschäftigt sich detailliert mit dem Prozessschritt der Dispergierung zur Herstellung der Beschichtungsmasse von Batterieelektroden von Lithium-Ionen-Batterien. Dieser Schritt steht am Beginn der Prozesskette und hat einen direkten Einfluss auf die Struktur der Elektroden und somit indirekt auf das weitere Verhalten der Elektroden in den nächsten Herstellungsschritten.

Während des Dispergierens werden die zunächst in Pulverform vorliegenden Batteriematerialien in eine homogene Suspension überführt. Anschließend wird diese auf einen Stromsammler aufgebracht und so zu Elektroden verarbeitet. Zu den verarbeiteten Komponenten gehören neben dem Aktivmaterial Bindemittel und ein Leitadditiv, da besonders in Kathodenbeschichtungen das Aktivmaterial eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Als Leitadditiv kommt häufig eine nanoskalige Ruß-Komponente zum Einsatz. Diese ist jedoch im Allgemeinen elektrochemisch inert, sodass eine Erhöhung des Anteils dieser Komponente in der Elektrode zu einer direkten Verminderung der Energiedichte der Zellen führt. Eine optimierte Strukturierung und Verteilung des Leitrußes innerhalb der Elektrodenstruktur erlaubt die Minimierung des Leitadditivanteils und somit eine Steigerung der Energiedichte der Zellen. Die Rußverteilung bzw. Strukturierung der Elektroden kann durch den Dispergierprozess entscheidend beeinflusst werden. Entsprechend ist die fokussierte Betrachtung des Dispergierschrittes innerhalb der Prozesskette und das hierdurch erworbene tiefgehende Verständnis dieses Prozesses ein wichtiger Schritt in Richtung industrieller Batteriezellproduktion.

Im Rahmen dieses interdisziplinären Forschungsvorhabens werden im Technikumsmaßstab prozessierte Zellen unter anderem neuartigen Analyseverfahren unterzogen, die eine ortsaufgelöste und dreidimensionale Rekonstruktion der Rußverteilung erlaubt, die sich durch den Dispergierprozess einstellt. Dies ermöglicht eine Aussage über den Einfluss der Strukturierung der Leitruß-Komponente auf die Leistungsfähigkeit der gefertigten Zellen, welches wiederum die Ableitung leistungsoptimierter Zielstrukturen zukünftiger Lithium-Ionen-Batterieelektroden gestattet. Zeitgleich entsteht ein längenskalenübergreifendes numerisches Modell des Dispergierprozesses, welches einen Einblick in messtechnisch schwer erfassbare Vorgänge zulässt, die für die Strukturierung der Leitruß-Komponente verantwortlich sind.

Aus diesem Projekt abgeleitete Ergebnisse können zur numerisch gestützten Dimensionierung und Optimierung von Dispergieraggregaten sowie zur ressourcenoptimierten Auslegung des Prozesses eingesetzt werden. Hierbei lassen sich neben einer optimierten Strukturierung der Leitruß-Komponente Einsparpotenziale in Bezug auf die Reduktion des Energieeintrages und der Durchlaufzeiten eruieren. Dies trägt maßgeblich zur zeit-, ressourcen- und zieloptimierten Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien bei.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Der Aufbau dieses interdisziplinären Verbundprojekts lässt sich in drei übergeordnete Arbeitspakete gliedern.

1. Prozessierung: Der Schwerpunkt dieses Arbeitspakets besteht in der experimentellen Fertigung von Batterieelektroden im Technikumsmaßstab. Hierbei steht der Dispergierprozess im Fokus, wobei Suspensionen sowohl mit unterschiedlichen Rezepturen als auch unter Variation der Prozessbedingungen hergestellt werden. Als Basis für die Aufklärung der eingestellten Strukturen durch die Variationen des Dispergierprozesses sowie für die Modellbildung werden einerseits unkalandrierte Elektroden hergestellt. Da es sich bei der Kalandrierung jedoch um einen anwendungsrelevanten Prozessschritt handelt, werden zudem ausgewählte Elektroden mit einem festen Parametersatz kalandriert. Darüber hinaus wird die im Rahmen des Projektes entwickelte multiskalige numerische Optimierungsmethodik experimentell final validiert. Weiterhin fließen in diesem Teil des Projekts alle bisher gesammelten Erkenntnisse ein und münden in einer direkt praktisch anwendbaren numerisch gestützten Optimierungsmethodik, welche in einem Experiment im Pilotmaßstab demonstriert wird.

2. Charakterisierung: Die Zielstellung dieses Arbeitspakets besteht in der experimentellen Analyse der hergestellten Suspensionen und Elektroden. Hierbei werden einerseits rheologische Messungen bzw. die Analyse der Partikelgrößenverteilung zur Ermittlung der Rußagglomeratgröße durchgeführt. Ferner ist daran gedacht, hochauflösende tomographische Verfahren dazu zu nutzen, dreidimensionale und ortsaufgelöste Rekonstruktionen der hergestellten Elektroden im Mikrometerbereich zu erstellen. Der Abgleich zwischen den prozessbegleitenden und strukturellen Analysen ermöglicht ein tieferes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und resultierender mikro- und makroskopischer Suspensionsstruktur und liefert wertvolle Hinweise in Bezug auf eine optimierte Prozessführung.

3. Modellierung: Der Fokus Modellierung liegt in der multiskaligen Beschreibung der Vorgänge, welche für den Rußaufschluss im Verlauf des Dispergierprozesses verantwortlich sind. Um Einblicke in die Verteilung der Schergradienten innerhalb des Mischraums zu erhalten, wird auf der Makroskala das im Technikumsmaßstab eingesetzte Dispergieraggregat mittels numerischer Strömungssimulation simuliert. Die Modellierung des Rußaufschlusses erfolgt im Scherfeld eines viskosen Fluids auf der Mikroskala. Nach experimenteller Validierung werden beide Modelle dynamisch gekoppelt, sodass mithilfe dieses multiskaligen Modells numerisch gestützt optimale Prozessbedingungen für den Dispergierprozess abgeleitet werden können.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die Ergebnisse dieses interdisziplinären Forschungsvorhabens liefern einen entscheidenden Beitrag zur Steigerung der volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte durch effizienteren Einsatz der Leitruß-Komponente mithilfe einer ressourcenoptimierten Dispergierung. Die fokussierte Betrachtung des Dispergierschrittes innerhalb der Prozesskette und das hierdurch erworbene tiefgehende Verständnis dieses Prozesses ist ein wichtiger Schritt in Richtung industrieller Batteriezellproduktion. Die entwickelte multiskalige und validierte Methodik zur modellgestützten Auslegung bzw. Optimierung von Dispergieraggregaten eröffnet hierbei die Möglichkeit, ressourceneffizient und unter Berücksichtigung der Einflüsse auf die Verteilung der Leitruß-Komponente auf der Mikroskala, optimale Werkzeuggeometrie- und Betriebsparameter zu bestimmen. Dies führt zu einer Reduktion der Herstellkosten bei gleichzeitiger Steigerung der Zellqualität.


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

Forschungsgegenstand

Zelle Elektroden Kathode

Zelle Elektroden Kathode Additive Leitfähigkeitsadditive

Forschungsbereiche

Produktion Zelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung Mischen nass

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Durchsatzzeit

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Energiebedarf

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Energiedichte

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Struktur

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Ressourcenverbrauch Reduktion von Lösemittel

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Prozess-Eigenschaftsbeziehungen

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Simulation numerisch

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessverständnis Vorhersagemodell

Analytik und Charakterisierung Methode physikalisch Tomographie Röntgen

Analytik und Charakterisierung Methode physikalisch Mikroskopie Focused-Ion-Beam

Analytik und Charakterisierung Methode physikalisch Mikroskopie Rasterelektronen

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Leitfähigkeit

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Struktur

Anwendungsfelder

mobil

stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung außeruniversitäre Einrichtung

Teilprojektleiter

Herr Prof. Dr. Herrmann Nirschl
Karlsruher Institut für Technologie - Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (MVM) - Arbeitsgruppe Verfahrenstechnische Maschinen (VM)
Str. am Forum  8
76131 Karlsruhe

Telefon: +49 721 608-42404
Fax: +49 721 608-42405
E-Mail: hermann.nirschl@kit.edu


Verbundprojektleiter

Herr Prof. Dr. Hermann Nirschl
Telefon: +49 721 608-42404
Fax: +49 721 608-42405


Pressekontakt für Teilprojekt

Herr Prof. Dr. Hermann Nirschl
Telefon: +49 721 608-42404
Fax: +49 721 608-42405
E-Mail: hermann.nirschl@kit.edu


Pressekontakt für Verbundprojekt

Herr Prof. Dr. Hermann Nirschl
Telefon: +49 721 608-42404
Fax: +49 721 608-42405
E-Mail: hermann.nirschl@kit.edu

Typ Inhalt Aktion
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