Optimierte Herstellungsverfahren für High-Load Elektroden auf Basis von Extrusionsprozessen (OptiEx)

Obwohl in der Li-Ionen-Batterietechnologie innerhalb der letzten Jahre durch Skalierungseffekte eine signifikante Reduktion der Kosten erzielt werden konnte, bleibt die Senkung der Herstellungskosten weiterhin ein zentrales und missionskritisches Entwicklungsziel. Im Rahmen des Forschungsvorhabens OptiEx – Optimierte Herstellungsverfahren für High-Load Elektroden auf Basis von Extrusionsprozessen – soll eine Kostenreduktion über die Entwicklung und Skalierung eines innovativen, ressourcenschonenden Prozesses zur Elektrodenherstellung realisiert werden. Der Ansatz erlaubt deutlich geringere Lösemittelmengen (<80%) und niedrigere Energiebedarfe (ca. <50%) für die Trocknung der hochviskosen Batteriesuspensionen.
Ein wesentliches Projektziel ist der Aufbau und Testbetrieb einer Pilotanlage zur kontinuierlichen Mischung und Folienextrusion für Anoden- und Kathodenmaterialien sowie weiterführende Untersuchungen von Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen auf Basis des im ProZell-Vorprojekt HiLo entwickelten Laborprozesses. Dafür werden in der Pilotanlage die Teilprozesse Mischen/Dispergieren, Beschichten, Trocknen und Aufwickeln kombiniert. Um einen stabilen Anlagenbetrieb mit konkurrenzfähigen Beschichtungsgeschwindigkeiten abzubilden, und damit das anvisierte TRL 5 zu erreichen, werden diverse Teilaspekte optimiert. Darunter fallen die Dosierung der Materialien, die Direktbeschichtung der Pasten auf den Stromsammler und eine reproduzierbare Formgebung mit hinreichender Schichtdicke über Breitschlitzdüsen. Hierfür sind prozessbegleitende rheologische Analysen und Anpassungen (z.B. anhand von Hilfsadditiven) der Elektrodenpasten notwendig, um das strukturviskose, teils viskoelastische Fließverhalten der Pasten bestmöglich einzustellen.
Unterstützt wird die Verfahrensentwicklung von einer modellgestützten Auslegung der Elektroden an der TUD. Durch die Optimierung des Elektrodendesigns werden die Energie- und Leistungsdichte von Vollzellen anwendungsspezifisch maximiert und dazugehörige Designparameter ermittelt. Dabei sollen analytische Modelle mit reduzierter Komplexität und hoher Praxisrelevanz als prozessbegleitendes Werkzeug für Anwender/Techniker entwickelt werden. Im Rahmen des Projektes werden dabei Blend- und Mehrlagenelektroden adressiert und validiert, welche eine Erweiterung der Freiheitsgrade bei der Elektrodenauslegung darstellen und mittels hochviskoser Pasten im Extrusionsprozess vergleichsweise einfach umsetzbar sind.