Multiskalenansatz zur Beschreibung des Rußaufschlusses bei extrusionsbasierter Dispergierung von Lithium-Ionen-Batteriesuspensionen (MultiEx)

MultiEx behandelt die simulationsgestützte Optimierung des Extrusionsprozesses für Lithium-Ionen-Batteriekathodensuspensionen. Dafür werden Experimente und mehrskalige simulative Untersuchungen durchgeführt, um den Prozess hinsichtlich Suspensionsqualität, verbesserter Schneckenkonfigurationen und höherer Durchsätze zu optimieren. Experimentelle Untersuchungen in Vorgängerprojekten haben gezeigt, dass die Verteilung des Leitfähigkeitsadditivs innerhalb der Elektrodenstruktur die Leistungsfähigkeit der gefertigten Batteriezelle entscheidend beeinflusst. Dies kann einen wertvollen Beitrag dazu liefern, die Leitrußstruktur in Bezug auf eine gesteigerte Energie- und Leistungsdichte zu optimieren. Hierfür wird im Projekt unter anderem eine Prozessroute mit trockener Vorstrukturierung der Leitruße mit Aktivmaterialien untersucht. Umfangreiche simulative Studien unter Zuhilfenahme der diskrete Elemente Methode (DEM) bieten dabei eine flexible und kostengünstige Möglichkeit den Trockenmischprozess und den Einfluss der relevanten Prozessparameter zu untersuchen. Die Ergebnisse des Trockenmischvorgangs bilden die Ausgangssituation für die anschließende kontinuierliche Nassdispergierung in einem Extruder. Um ein tiefgreifendes Verständnis des Dispergierprozesses zu erlangen, werden mikro- (DEM) und makroskalige (CFD) Simulationen durchgeführt. Aus den Ergebnissen der Simulationen auf der Mikroskala sind anschließend Kinetikvorschriften abzuleiten, welche die dynamischen Vorgänge des Leitrußaufschlusses in Abhängigkeit der während des Mischvorgangs wirkender Kräfte mathematisch beschreiben. Zeitgleich untersuchen makroskopische Simulationen mittels CFD die innerhalb der Extrudergeometrie herrschende Strömungsbedingungen. Schließlich erfolgt die Kopplung beider Skalen mittels Populationsbilanzen. Dies liefert wichtige Informationen über die Beanspruchung des Leitrußes in der Suspension und schließlich über die Partikelgröße, die mit gegebenen Prozessparametern erreicht werden kann.