Optimale Elektrodenstruktur und -dichte durch integrierte Auslegung von Misch- und Kalandrierprozessen (MiKal)

Projektlaufzeit:
01.11.2019 – 31.10.2022

Institute:

  • TU Braunschweig, Institut für Partikeltechnik (iPAT)
  • TU München, Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb)
  • WWU Münster, MEET Batterieforschungszentrum
  • Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Fachgebiet Produktionsforschung (ECP)
  • KIT, Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffe der Elektrotechnik (IAM-WET)
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Partner:

KIT
TU München
MEET
ZSW
Technische Universität Braunschweig

Die elektrochemische Energiespeicherung gewinnt immer mehr an Bedeutung. Insbesondere steht infolge der deutschen Energiewende hierbei die Energiespeicherung für elektromobile Anwendungen im Fokus. Aufgrund des begrenzten Bauraums ist dabei vor allem eine hohe volumetrische sowie gravimetrische Energiedichte entscheidend. Auf Elektroden hat der Verdichtungsprozess der Beschichtung, die Kalandrierung, einen entscheidenden Einfluss auf die Optimierung der volumetrische Energiedichte. In diesem Projekt liegt ein Schwerpunkt auf der Ermittlung der Wechselwirkung von Mischprozessen, dem resultierendem maschinen- und produkttechnischen Kalandrierverhalten sowie der erzeugten und performancebestimmenden Mikrostruktur der Elektroden. Dies soll die Identifikation vorteilhafter Kalandrierzustände und eine Prädikation sowohl der Maschineneinstellungen als auch Produktstruktureinstellungen ermöglichen. Zu diesem Zweck werden Elektroden mit verschiedenen Leitadditivstrukturen, durch Variation der Mischintensität, der Mischertypen und verschiedenen Leitadditivzusammensetzungen (bei konstantem Gesamtanteil) eingestellt. Es gilt eine optimierte Rezeptur für Energieelektroden abzuleiten und diese hinsichtlich ihres Verdichtungsverhalten, hierbei vor allem auch Wechselwirkungen zum Substrat, zu untersuchen. Der Wirkzusammenhang zwischen Misch- und Kalandrierprozess wird mit dem Ziel herausgestellt volumetrisch höhere Energiedichten bei gleichzeitig hoher Leistungsperformance zu erreichen. Ergänzend zu den empirischen Abläufen werden DEM Simulationsmodelle zur Prädikation der strukturellen Produktgestaltung und Prozessauslegung entwickelt. Über die gesamte Projektlaufzeit wird für ausgewählte Elektroden die 3D-Mikrostruktur rekonstruiert. Es wird FIB/SEM (sub-μm skalige Leitrußstrukturen) als auch µCT (μm skalige Partikel- und Leitrußagglomerate) für eine ganzheitliche Betrachtung der Elektrodenstruktur zum Einsatz kommen. Wichtige Bewertungskriterien während der Projektlaufzeit sind Methoden zur strukturellen, mechanischen und elektrischen Charakterisierung als auch elektrochemische Untersuchungen von Voll- und Halbzellen.