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

Durch integrierte Auslegung von Misch- und Kalandrierprozess werden im Projekt MiKal Elektroden mit höherer volumetrischer Energiedichte bei gleichbleibender elektrochemischer Performance erzeugt. Zusätzlich wird ein DEM-Simulationsmodell zur Prozessauslegung erarbeitet sowie das Verformungsverhalten der Elektroden untersucht. Ziel ist die Identifikation vorteilhafter Kalandrierzustände sowie die Vorhersage von Maschineneinstellungen als auch Produktstrukturen zu ermöglichen.

Projektbeschreibung

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 Elektrodenebene hat der Verdichtungsprozess der Beschichtung, die Kalandrierung, einen entscheidenden Einfluss auf die Optimierung der volumetrischen Energiedichte.

Im Projekt MiKal liegt ein Schwerpunkt auf der Ermittlung der Wechselwirkung von Mischprozessen, dem resultierenden 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 Pro-duktstruktureinstellungen 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 Verdichtungsverhaltens, 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 Projektlaufzeit wird für ausgewählte Elektroden die 3D-Mikrostruktur rekonstruiert. Begleitend werden FIB/SEM (sub-μm skalige Leitrußstrukturen) als auch µ-CT (μm skalige Partikel- und Leitrußagglomerate) Messungen für eine ganzheitliche Betrachtung der Elektrodenstruktur durchgeführt. Wichtige Bewertungskriterien während der Projektlaufzeit sind Methoden zur strukturellen, mechanischen und elektrischen Charakterisierung als auch elektrochemische Untersuchungen von Voll- und Halbzellen.