Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Intensive Nachtrocknung von Komponenten für Lithium-Ionen-Zellen in diskontinuierlichen Trockenöfen

Bei der Nachtrocknung von Lithium-Ionen-Batterieelektroden und -separatoren wird der Restfeuchtegehalt reduziert, um eine reproduzierbare elektrochemische Zellperformance zu gewährleisten. Durch lange Prozesszeiten sowie die Verwendung von Unterdruck und beheiztem Inertgas stellt dieser Prozessschritt den energieintensivsten Schritt der Prozesskette dar.

Das Projekt adressiert diese Thematik und entwickelt ein Trocknungsmodell zur Beschreibung der Wärme- und Stoffübertragung für Anoden-, Kathoden- und Separatorwickel während der Nachtrocknung. Über dieses Modell findet eine Prozessoptimierung zur Verkürzung der Prozesszeiten bei gleichzeitiger materialschonender Wärmebehandlung statt. Die betrachteten Ebenen umfassen dabei das Material, die Elektroden- und Separatorstruktur und komplette Wickel in verschiedenen Skalen. Auf der Elektrodenebene wird untersucht, welchen Einfluss die Trocknung auf die Struktur (Elastizität, Haftfestigkeit am Stromsammler) der Elektroden und Separatoren hat und wiederum wie die Struktur der zu trocknenden Materialien die Trocknungskinetik beeinflusst. Für das Wärmeübertragungsmodell wird konvektive und strahlungsbasierte Trocknung sowie die Anwendung von Inertgas und Unterdruck untersucht. Die Modelle und weitere Untersuchungen werden an industriell relevanten Stoffsystemen durchgeführt und auf weitere Materialien übertragen.

Es werden Zellen mit definierter Feuchte gefertigt und elektrochemisch charakterisiert, um systematisch zu untersuchen, wie der Feuchtegehalt die Zellperformance beeinflusst. Aus den Ergebnissen des Modells wird eine Prozessempfehlung für den diskontinuierlichen Trocknungsschritt gegeben. Diese wird mit einem Demonstrator in Form eines Trockenschranks validiert. Durch Untersuchungen der Wiederaufnahme von Feuchte nach der Intensivtrocknung wird weiterhin eine Empfehlung zur Prozessumgebung gegeben, welche vor allem von KMU’s genutzt werden kann.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt InTenZ wurden in großem Umfang Phasengleichgewichts- und Kinetikdaten von Elektroden und Separatoren ermittelt. Diese konnten genutzt werden um den Trocknungsprozess von Elektrodencoils im Vakuumofen simulativ abzubilden. Die Simulation wurde anhand von gezielten Versuchen zum isolierten Einfluss von Prozess- und Materialparametern sowie anhand von Trocknungsversuchen an Elektrodeneinzelschichten und -wickeln im Labor und Technikumsmaßstab validiert. Die Erkenntnisse zeigen, dass insbesondere die Breite der Elektrodenwickeln, die Porosität, die verwendeten Materialien sowie der Druck die Geschwindigkeit der Trocknung beeinflussen. Ebenso muss die Rückbefeuchtung im Trockenraum beachtet werden. Die Ergebnisse können genutzt werden um eine fundierte Abschätzung über die resultierende Restfeuchte bei gegebenen Prozessbedingungen sowie umgekehrt - benötigte Trocknungszeit in Abhängigkeit der zu Zielfeuchte - im Vakuumnachtrocknungsprozess von Komponenten für Lithium-Ionen-Batterien zu treffen.

Zusammen mit einem Funktionsmuster für den Technikumsprozess wurde ein mehrstufiges Druckwechselverfahren zur zeitoptimierten Trocknung ganzer Elektrodencoils entwickelt. Im Projekt wurden die Grundlagen gelegt, sodass das Verfahren von Anwendern weiter in den Batterieproduktionsprozess hochskaliert werden kann. Optische Emissionsspektroskopie wurde als alternative Methode zur Kontrolle von Restfeuchte und Lösemittelrückständen für den Trocknungsprozess getestet.