Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Technologieentwicklung
Slurryaufbereitung
Durch einen abgestimmten Mischprozess wird eine homogene Partikelverteilung in der Slurry erreicht.
Bei der Überführung der pulverförmigen Ausgangsstoffe in einen homogenen Slurry müssen alle Bestandteile an die eingesetzten Beschichtungsverfahren sowie an die gewünschten Elektrodeneigenschaften angepasst werden. Das Fraunhofer IKTS macht hierbei von seiner Expertise in der keramischen Technologie Gebrauch. Die Aktivmaterialien definieren die Kapazität und die Leitadditive sind entscheidend für den Elektrodenwiderstand. Daneben bestimmen besonders die verwendeten organischen Bindermaterialien maßgeblich die spätere mechanische Elektrodenstabilität, Verarbeitbarkeit und Zyklenfestigkeit.
Für eine maßgeschneiderte Aufbereitung der Slurries nutzt das Fraunhofer IKTS verschiedene Mischaggregate wie Dissolver, Planetenmischer und Kneter. Während der Prozessführung entscheiden Parameter wie Energieeintrag, Temperierung, Partikelstabilität, Atmosphäre und Mischdauer über den Dispergierungsgrad. Durch abgestimmte Prozessrouten wird am Ende des Mischprozesses eine homogene Partikelverteilung im Slurry sichergestellt und eine Reagglomeration verhindert.
Das Fraunhofer IKTS fokussiert sich dabei zum einem auf die Substitution organischer durch wässrige Lösungsmittel und zum anderen auf eine weitestgehende Reduzierung des Lösungsmittelanteils, um eine bestmögliche Umweltverträglichkeit des Herstellungsprozesses gewährleisten zu können.
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Elektrodenfertigung
Elektrodenfertigung auf Rolle-zu-Rolle-Beschichtungsanlagen.
Für die Entwicklung von Elektrodenbeschichtungsprozessen werden Rakel- (Doctor Blade, Comma Bar) und Schlitzdüsenauftrag (Slot Die) sowie unterschiedliche Trocknungsmethoden eingesetzt. Darüber hinaus sind Batch-Verfahren wie Siebdruck oder Maskenextrusion verfügbar, die auch eine flexible Geometriegestaltung der Elektroden ermöglichen.
Während der Elektrodenfertigung können durch die Auswahl geeigneter Prozessparameter die Langzeitstabilität und Leistung wesentlich beeinflusst und Vorteile hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Qualität und Geschwindigkeit erreicht werden. Im Fokus stehen dabei:
- Optimale Haftung und Binderverteilung nach der Trocknung
- Hohe Beschichtungsgeschwindigkeiten
- Oberflächenqualität (ohne Lunker, Partikel)
- Vermeidung von Gaseinschlüssen
- Minimierung der Schichtdickenschwankungen
Gerade die Trocknung der Elektroden eröffnet signifikante Kostensenkungspotenziale durch optimierte Temperaturprofile innerhalb der Trocknungszonen sowie ein begleitendes Monitoring. Die so erzielten Energieeinsparungen dürfen dabei keinerlei Auswirkungen auf Haftfestigkeiten, morphologische Eigenschaften, Elektrodenqualität und Prozessgeschwindigkeiten haben. Im abschließenden Verdichtungsprozess der Kalandrierung lässt sich die finale Porosität der Elektroden definieren.
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Elektrolytbefüllung
Elektrolytbefüllung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle.
Die Prozesszeiten für den aufwendigen Befüllvorgang der Lithium-Ionen-Batteriezellen sowie die langen Penetrationszeiten des Elektrolyten in Separator und Elektroden stellen in der Batterieproduktion nach wie vor einen erheblichen Kostenfaktor dar und stehen in engem Zusammenhang mit dem Design von Elektroden sowie dem Elektroden/Separator-Verbund. Die homogene Verteilung des Elektrolyten in der Zelle ist außerdem Grundlage einer zuverlässigen Formierung und Zelllebensdauer.
Das Penetrationsverhalten des Elektrolyten in der Zelle wird von zahlreichen Faktoren bestimmt, von denen die wichtigsten die Benetzbarkeit von Elektroden und Separator sowie die Kapillarkräfte in der Separatormembran und an der Grenzfläche zwischen Separator und Elektroden sind. Basierend auf umfangreichen Kenntnissen über Viskosität, Oberflächenspannung sowie Porenstruktur der Elektroden- und Separatormaterialien wurde eine elektrochemische Methode zur Bestimmung der Struktur-Eigenschafts-Korrelationen von Separator/Elektroden-Systemen entwickelt. Diese erlaubt auch ein Monitoring des Penetrationsfortschritts, um das Durchdringungsverhalten von Separatoren, Elektroden sowie Verbünden aus Separatoren und Elektroden mit Elektrolyten systematisch und quantitativ zu beschreiben.
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Testzellen und Zelldesign
IKTS-Testzelle zur frühzeitigen Charakterisierung von Material- und Prozessentwicklungen.
Für die frühzeitige Charakterisierung von Material- und Prozessentwicklungen kommen am Fraunhofer IKTS sowohl sogenannte Knopf- als auch Laborpouchzellen zum Einsatz. Dazu werden die hergestellten Elektroden entsprechend der späteren Zellform ausgestanzt, konfektioniert und getrocknet, um deren Restfeuchte zu minimieren. Der anschließende Aufbau der Zellen und die Elektrolytbefüllung erfolgen in Gloveboxen unter Argon-Atmosphäre.
Neben dem Aufbau von Testzellen werden konzeptionelle Arbeiten zur Entwicklung von Zelldesigns durchgeführt, die durch Abstimmung von Material- und Prozessentwicklungen auf spezielle Anwendungsvorgaben angepasst sind. Im Mittelpunkt der Entwicklungen stehen bipolare Lithium-Ionen-Batterien, für die beispielsweise die Eigenschaften der Bipolarelektroden, die Wechselwirkung mit Folgeprozessen oder die Abstimmung mit anderen Komponenten wie dem Elektrolyten betrachtet werden.