Erhöhung der Durchsatzgeschwindigkeit in der Elektrodenproduktion durch ein innovatives Trocknungsmanagement

Projektlaufzeit:
01.08.2020 – 31.07.2023

Institute:

  • KIT, Thin Film Technology (TFT)
  • TU Braunschweig, Institut für Partikeltechnik (iPAT)
  • TU Braunschweig, Institut für Füge- und Schweißtechnik (ifs)
  • Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Fachgebiet Produktionsforschung (ECP)
  • KIT, Institut für Produktionstechnik (wbk)
zurück zur Übersicht

Partner:

KIT
ZSW
TU Braunschweig

Nach derzeitigem Stand der Technik werden Batterieelektroden als wasser- oder lösemittelbasierte Paste auf eine Stromableiterfolie beschichtet und in einem kontinuierlichen Prallstrahltrockner konvektiv getrocknet. Der Trocknungsprozess limitiert dabei die Produktionsgeschwindigkeit, da eine zu hohe Trocknungsrate die Elektrodeneigenschaften verschlechtert. Im Anschluss an die Trocknung werden die Elektroden zunächst kalandriert und dann in einem separaten Prozessschritt nachgetrocknet, in einen Trockenraum überführt und dort zu Batteriezellen verbaut. Die für die Zelleigenschaften wichtige Restfeuchte hängt dabei von den Randbedingungen im Trockenraum und der Historie der Elektroden entlang der Prozesskette von der Trocknung bis zur Zellassemblierung im Trockenraum ab. Aktuell werden die einzelnen Prozessschritte getrennt voneinander betrachtet ohne Interaktionen zu berücksichtigen, weswegen Einsparpotentiale und Prozessvereinfachungen zu wenig genutzt werden können. Ziel des Projektes EPIC ist die Reduzierung der Produktionskosten von Batterieelektroden durch eine Steigerung der Trocknungsgeschwindigkeit um mindestens 50% und eine Senkung der Energiekosten bei der Trocknung um mindestens 20% gegenüber dem aktuellen Stand der Technik. Erreicht wird dies durch die Verwendung innovativer Trocknungstechnologien und eine wissensbasierte Auslegung der Prozessführung bei der Trocknung, eine energetisch und qualitativ bestmöglich realisierte Nachtrocknung und ein materialsystemspezifisch angepasstes Feuchtemanagement entlang der Prozesskette von der Trocknung bis zur Zellassemblierung. Als Ausgangspunkt zum Erreichen der Projektziele soll zunächst die Prozessführung der rein konvektiven Trocknung auf Basis eines systematischen Vorgehens energetisch und ökologisch optimiert werden. Darüber hinaus sollen alternative Trocknungsverfahren erforscht und in einen industriell skalierbaren Prozess überführt werden. Die bestmögliche Auslegung der Trocknung, der Nachtrocknung und des Feuchtemanagements erfolgt aufbauend auf den Erkenntnissen aus Vorgängerprojekten anhand eines bewertenden Vergleichs unterschiedlicher Prozessrouten unter Berücksichtigung von anforderungsgerechten Qualitätsaspekten und Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Darüber hinaus wird betrachtet, wie eine signifikante Minimierung der Kosten und Umweltbelastungen erreicht werden kann, indem der Energieaufwand für den Trockenraum minimiert wird. Dazu werden individuelle Prozess-Kosten-Modelle für die einzelnen Prozessschritte sowie das Gesamtfeuchtemanagement entwickelt und vergleichend bewertet.