Das Projekt "ProKal: Prozessmodellierung der Kalandrierung energiereicher Elektroden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften durchgeführt. Auf Basis der langjährigen Erfahrung des iwb in der Optimierung des dynamischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen soll neben den in Braunschweig und Münster betrachteten Prozess-Struktur-Eigenschaft-Beziehungen die Wechselwirkung zwischen der Maschinendynamik, den Prozessparametern und den Materialeigenschaften untersucht werden. Insbesondere bei absatzweise beschichteten Elektroden und hohen Schichtdicken muss die Maschinendynamik regelungstechnisch so beherrscht werden, dass dauerhaft und reproduzierbar Elektroden mit gleich hoher Qualität verdichtet werden. Des Weiteren soll die Kalandrierung hinsichtlich der Verarbeitbarkeit der Elektroden in den nachfolgenden Prozessen untersucht werden. Hierbei stehen die Handhabung, insb. die Stapelbildungsverfahren, die optischen Messverfahren und die Befüllung bzw. die Benetzung im Vordergrund. Hierzu werden nach einer Prozessvariation am Kalander die Elektroden an Versuchsständen hinsichtlich ihrer Weiterverarbeitbarkeit charakterisiert. Um den Einsatz der Laservibrometrie zur Vermessung von Kalandern zur Beschreibung des statischen und dynamischen Verhaltens sicherzustellen, sollen zunächst Testmessungen an den beteiligten Instituten stattfinden. Ist die Eignung erwiesen, werden die Kalander der Partnerinstitute bei der Kalandrierung vermessen. Dabei werden Messsituationen definiert, die Informationen zum Strukturverhalten der Kalanderwalzen und -stuhlung in Anhängigkeit der Einflussgrößen bestehend aus Prozessparametern und Eingangsproduktmerkmalen liefern. Die erfassten Daten dienen als Grundlage zum Aufbau eines Maschinen-Prozess-Struktur-Modells. Des Weiteren soll über eine Variation der Prozessparameter eine Verbesserung der Produktivität erreicht werden. Die Rolle der Walzentemperierung soll u.a. über Versuchsreihen untersucht werden. Insbesondere der Einfluss der Prozessparameter auf die weitere Verarbeitung der Elektroden wird anhand von Versuchsständen erforscht (bspw. Haftungs-, und Benetzungsprüfstand).
Das Projekt "ProKal: Prozessmodellierung der Kalandrierung energiereicher Elektroden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Westfälische Wilhelms-Universität Münster, MEET Batterieforschungszentrum durchgeführt. Entscheidend für den Erfolg von mobilen Energiespeichern sind deren volumetrische und gravimetrische Energiedichte. Zu deren Erhöhung werden einerseits hochkapazitive Aktivmaterialien entwickelt, andererseits können deutliche Steigerungen durch hohe Aktivmaterialanteile und Massenbeladungen erzielt werden. Den entscheidenden Einfluss auf die resultierende volumetrische Energiedichte hat der Prozess der Verdichtung: die Kalandrierung.
Neben der signifikanten Verringerung des Schichtvolumens führt die Verdichtung zur deutlichen Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit von Beschichtungen mit intrinsisch gering leitfähigen kathodischen Aktivmaterialien. Weiterhin können die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung verbessert werden: Zum einen ist die Haftfestigkeit innerhalb der Schicht und an der Grenzfläche zum Substrat bedeutend für die weiterführende Handhabbarkeit und zum anderen beeinflussen die plastische und elastische Verformbarkeit die Stabilität der Elektroden gegenüber den ionischen Ein- und Auslagerungsprozessen. Die deutliche Verringerung der Porosität reduziert jedoch die elektrochemisch aktive Oberfläche und die für die Ionendiffusion notwendigen Transportkanäle. Ein wichtiges Ziel der Kalandrierung ist dementsprechend die Optimierung der Porenstruktur. Folglich ist das Prozessverständnis entscheidend, um gezielt die optimale Poren- und Partikelstruktur sowie günstige mechanische Eigenschaften einstellen zu können.
Ziel des Teilvorhabens ist es über eine umfangreich elektrochemische Charakterisierung die Abhängigkeit der elektrochemischen Performanz in Bezug auf den Prozessschritt der Kalandrierung zu verstehen. Daraus soll anschließend ein Struktur-Eigenschafts-Modell abgeleitet werden, welches als Entscheidungstool dienen kann, um eine bestmögliche elektrochemische Performanz in Abhängigkeit der Parameter des Kalandrierprozesses zu erreichen.
Das Projekt "ProKal: Prozessmodellierung der Kalandrierung energiereicher Elektroden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Battery LabFactory Braunschweig durchgeführt. In ProKal untersucht das iPAT die Kalandrierung energiereicher, kontinuierlich und absatzweise beschichteter Kathoden sowie Anoden mit hohen Flächengewichten und hochkapazitiven Aktivmaterialien NMC622 sowie Si-Graphit. Zur Erhöhung der beschränkten Leitfähigkeit der Dickschichtelektroden werden verschiedene Leitadditive getestet. Im Anschluss wird das Verdichtungsverhalten kontinuierlich und absatzweise beschichteter energiereicher Elektroden sowie die Möglichkeiten zur Steigerung der Elektrodenperformance, aber auch der Bahngeschwindigkeit und somit der Produktivität untersucht. Die Prozessdaten dienen mit den ausführlichen Ergebnissen zur Produktcharakterisierung der Weiterentwicklung sowie Kalibrierung eines schon am iPAT erarbeiteten Prozess-Struktur-Eigenschaftsmodells für Elektroden vergleichsweise geringer Schichtdicken. Anoden und Kathoden mit vielversprechendster Struktur sollen miteinander zu Zellen verbaut und elektrochemisch untersucht werden, um die Elektroden und das Produkt Zelle global hinsichtlich der erzielten Energiedichte sowie der elektrochemischen Leistungsfähigkeit zu bewerten. Das iPAT stellt in AP1 in Zusammenarbeit mit dem MEET NMC622-Kathoden und Si-Graphit-Anoden mit hohen Massenbeladungen her sowie testet den Einsatz von Leit- und Poren-Additiven. In AP 2 wird das Verdichtungsverhalten der Elektroden bei kontinuierlicher und absatzweiser Kalandrierung untersucht und der Prozess zur Verbesserung der Produktivität und Weiterverarbeitung variiert. Die Elektroden werden in AP 3 zusammen mit den Projektpartnern hinsichtlich der Struktur sowie der resultierenden elektrochemischen Performance und Weiterverarbeitungseigenschaften analysiert, um schließlich die Elektroden zu Zellen maximaler Energiedichte zu kombinieren. AP 4 widmet sich der gemeinsamen Modellierung der Zusammenhänge zwischen Maschine, Prozess, Produktstruktur und -eigenschaft sowie Prozesskosten.
Das Projekt "HighEnergy: Fertigung hochkapazitiver, strukturierter Elektroden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Battery LabFactory Braunschweig durchgeführt. Das Projekt umfasst die Entwicklung von Produktionskonzepten und die simulationsbasierte Strukturoptimierung für Elektroden extrem hoher Flächenkapazitäten. Es werden material- und prozessseitige Strukturierungsmaßnahmen mit einem Schwerpunkt im Bereich der Dispergierung und Kalandrierung betrachtet. Ziel ist eine wirtschaftliche, robuste und kontinuierliche Prozessierfähigkeit. Zudem sind Elektronen- und Ionentransportlimitierung zu minimieren. Strukturierungsempfehlungen zur prozesstechnischen Gestaltumsetzung optimaler Elektrodenstrukturen werden simulativ über physikochemische Optimierungsmodelle erarbeitet. Herangezogen wird ein reduziertes Optimierungsmodell für Einschicht- und Mehrschicht-Elektroden mit Eignung zur rigorosen mathematischen Optimierung der Geometrieparameter über einen weiten Bereich. Ziel ist die elektrochemische Kinetik im Hinblick auf den abrufbaren Energiegehalt (Reichweite) und Leistung (Ladefähigkeit) zu optimieren. Die Strukturierungskonzepte umfassen die Bewertung von Rezeptur, Binderchemie, Porenbildnern und Aktivmaterial-Partikelgrößenverteilungen (PGV) für wasserbasierte Anoden (AP 1, iPAT). Zudem werden systematisch scale-up-fähige Knet- und Nassmischprozesse im Planetenmischer und Extruder untersucht sowie die Wechselwirkung der erzielten Strukturen mit dem Kalandrierprozess einbezogen (AP 2, iPAT). Zudem übernimmt das iPAT Scale-up Untersuchungen zur Trocknung (AP 4). Die physikalische und elektrochemische Charakterisierung ist in AP 7 (iPAT) abgebildet. Die Simulation zur modellgestützten Optimierung (AP6, InES) umfasst das Aufsetzen und Evaluieren eines reduzierten Optimierungsmodells einer Einschichtelektrode mit variierter PGV; das Modell wird eingesetzt, um systematisch über einen großen Bereich Geometrieparameter für leistungsfähige Elektroden zu identifizieren. In einem zweiten Schritt wird das Modell auf eine Mehrschicht-Elektrode erweitert, um letztendlich optimale Geometrieparameter zu berechnen.