Intelligentes Mischen und Trocknen

Zur Analyse der Umgebungsanforderungen für die Lagerung von Pulvermaterialien wurden Pulverlagerexperimente mit den Aktivmaterialien NMC622, NCA und NMC811 durchgeführt und deren Degradationsverhalten untersucht. Hierfür wurde ein Pulverhandhabungssystem ausgelegt und beschafft, um die Inertisierung der Prozesskette sicherzustellen, sodass die Untersuchungen gezielt durchgeführt werden können. Die Versuchsdurchführung bestand aus der Lagerung der Aktivmaterialien in Umgebungsatmosphäre sowie in weiteren definierten Atmosphären für jeweils unterschiedliche Zeiträume, der anschließenden Elektrodenherstellung, dem Bau von Knopfzellen und der abschließenden Kapazitätsbestimmung mittels Zelltests. Bei NMC622 zeigte sich in den betrachteten Versuchszeiträumen kaum ein Einfluss der Atmosphäre während der Lagerung auf die spezifische Entladekapazität nach Formierung, wohingegen bei NCA und NMC811 ein deutlicherer Einfluss der Lagerungsatmosphäre festgestellt wurde. Zu den Lagerexperimenten wurden zudem Sorptionsmessungen durchgeführt. Die Ergebnisse deuten bei den Aktivmaterialien NCA und NMC622 auf eine verstärkte Wasseraufnahme in Stickstoffatmosphäre ab einer Taupunkttemperatur von 5 °C hin, was eine kritische Veränderung der Materialien darstellen kann.

Um für den Mischprozess geeignete Messmethoden zur Qualitätssicherung zu identifizieren, wurden verschiedene Slurry-Charakterisierungsmethoden getestet. Hierbei konnte neben den konventionellen Messmethoden der Viskositäts- und Partikelgrößenverteilungsmessung auch die Slurry-Impedanzmessung über elektrochemische Impedanzspektroskopie als vielversprechende Messtechnik ermittelt werden. Für letztere Messmethode ist darüber hinaus auch ein großes Potenzial zur Inline-Befähigung gegeben. Mit dieser Methode konnte eine Korrelation des elektrischen Slurry-Widerstands mit der Mischzeit erkannt werden, was als Grundlage für weitere Versuche dient.

Mithilfe der Viskositäts- und Partikelgrößenverteilungsmessung wurde schließlich eine Mischgütefunktion erarbeitet, die die Mischgüte bzw. Homogenität des Slurrys während des Mischprozesses beschreibt. Diese basiert auf experimentellen Daten, welche im statischen Zustand erfasst wurden (Abbildung 1). Für zukünftige Arbeiten in Nachfolgeprojekten ist die Überführung in ein kontinuierliches System eine interessante Fragestellung.
Darüber hinaus wurde ein Dissolver für die Inline-Viskositätsmessung von Elektroden-Slurry modifiziert und mit entsprechender Anlagentechnik erweitert, sodass eine kontinuierliche Überwachung der Viskosität während des Mischprozesses ermöglicht wurde (Abbildung 2). Es zeigte sich, dass die Viskositätstrends im Allgemeinen konsistent mit der offline-Messung sind, jedoch ergeben sich für bestimmte Mischabschnitte größere Abweichungen, sodass hier eine eingehendere Untersuchung erforderlich wird.

Entwickelt wurde darüber hinaus ein multisensorisches Messystem (Messrohr) auf Basis der akustischen Spektroskopie (Ultraschall) und der induktiv elektrischen Impedanzspektroskopie (HF-Wirbelstrom). Mit beiden Verfahren kann von außen durch das Rohr gemessen werden, sodass die Sensorik selbst dem Slurry-Strom nicht ausgesetzt ist. Voraussetzung für die induktiv elektrische Impedanzspektroskopie ist die Verwendung eines nichtmetallischen Materials (POM, Teflon oder Keramik) für das Prüfrohr. Der Innendurchmesser des Prüfrohres kann an das vorhandene Rohrsystem angepasst werden, um Strömungshindernisse zu verhindern. Zur Ansteuerung der Ultraschall- und der induktiven Sensoren kommt die am Fraunhofer IKTS verwendete PCUS ®- und EddyCus®-Prüfelektronik zum Einsatz. Diese kann flexibel parametriert und an unterschiedliche Materialsysteme angepasst werden.

Bei den Offline-Messungen konnten die Auswirkungen des Mischens auf die Slurry-Eigenschaften und die elektrochemischen Eigenschaften der Elektrode erörtert werden. Hierbei konnte der Feststoffgehalt als größter Einfluss auf die Slurry-Viskosität identifiziert werden, während Mischparameter wie Mischzeit und -geschwindigkeit einen geringeren Einfluss aufwiesen.

Zur Untersuchung des Trocknungs-Monitorings wurden zwei Lösungsansätze auf Basis der abbildenden Wirbelstromprüfung entwickelt und erprobt.
Zum einen wurden Wirbelstrom-Sensoren entlang eines Trocknungstunnels installiert. Die beschichtete Elektrodenfolie läuft dabei mit geringem Spalt, berührungslos unter den WS-Sensoren entlang. Über eine Auswertung der elektrischen Impedanz kann eine Aussage zum Grad der Perkolation hergestellt werden. Die so generierten Messdaten erlauben eine in-situ-Bewertung des Trocknungszustandes und der Ausbildung der elektrischen Eigenschaften.
Der zweite entwickelte Ansatz verwendet ein ortsauflösendes Wirbelstrom-Sensor-Array, welches quer zur Bewegungsrichtung der Elektrode eingesetzt wird (Abbildung 3). Somit kann nach der Schichttrocknung ortsaufgelöst der Schichtwiderstand und damit die Homogenität der Flächenbeladung geprüft werden.

Für weiterführende Trocknungsversuche wurde ein Infrarot-Laser (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) beschafft und charakterisiert (Abbildung 4). Die Durchführung von Trocknungsversuchen an Graphitanoden unter Variation der Leistung des Lasermoduls bestätigten den geringen Zeitversatz bei dessen Regelung und zeigten auf, dass die resultierende Trocknungsrate direkt an die Laserleistung gekoppelt ist. Eine Steigerung der Laserleistung führt zu einer Erhöhung der Trocknungsrate, wobei letztere durch Vorgabe einer definierten Leistung präzise und reproduzierbar eingestellt werden kann.

Die Charakterisierung der Elektrodenschichten ergab, dass mittels Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser-Modul getrocknete Elektroden deutlich höhere Haftkräfte als konvektive Referenzanoden bei vergleichbarer Trocknungsgeschwindigkeit aufweisen. Im Hinblick auf die Produktionsgeschwindigkeit wurde eine Steigerung der Trocknungsrate um 280% bei gleicher Haftung wie die konvektivgetrocknete Referenz erreicht. Eine zusätzliche Steigerung der Trocknungsrate ohne negative Beeinträchtigung der Haftkraft konnte durch zweistufige Trocknungsprofile, in welchen der Energieeintrag an den Trocknungsfortschritt der Elektrode angepasst wurde, erzielt werden.

Darüber hinaus wurde ein digitaler Zwilling zur Beschreibung und Vorhersage des Trocknungsprozesses in Abhängigkeit der Struktur- und Prozessparameter entwickelt. Dieser ermöglicht eine flexible Trocknersteuerung bei wechselnden Materialparametern und dadurch einen effizienten Trocknerbetrieb.