Intelligentes Mischen und Trocknen
Motivation
Nach aktuellem Stand der Technik ist die Qualitätssicherung für die Prozesse Mischen und Trocknen unzureichend implementiert und basiert in hohem Maße auf Empirik. Durch fehlende Analysemethoden ist das Verständnis der Prozesse Mischen und Trocknen der Beschichtung sowie deren Wechselwirkung limitiert. Rückschlüsse auf den Misch- bzw. Trockenprozess sowie auf potenzielle Fehlerursachen können erst durch eine elektrochemische Auswertung der Zellen nach den zeit- und kostenintensiven Produktionsprozessen gezogen werden. Auch die Einflüsse der Atmosphäre bei der Lagerung von Pulvermaterialien sind nicht ausreichend untersucht, sodass keine klaren Anforderungen an die Atmosphäre im Lagerraum bekannt sind. Um sicherzugehen, werden in der Industrie oftmals hochkonditionierte Atmosphären eingesetzt, die nur durch einen hohen Energie- und Kostenaufwand aufrechterhalten werden können.
Projektinhalt
Mit Hilfe innovativer Inline-Messmethoden und Anlagentechnik wird im Rahmen des Projektes „InMiTro“ ein Gesamtkonzept zur Qualitätssteigerung und Vertiefung des Verständnisses der Prozessschritte Pulverhandhabung, Mischen und Trocknen und ihrer Zusammenhänge erzeugt. Neben einer umfassenden Untersuchung der Umgebungsbedingungen beim Pulverhandling wird auch eine allgemeine Analysemethode zur Bestimmung der Mischqualität entwickelt, die eine Übertragbarkeit auf unterschiedliche Material- und Mischsysteme ermöglicht. Der Trocknungsprozess wird durch den Einsatz eines Infrarot-Flächenlasers erweitert, welcher den gezielten, intensiven Energieeintrag zu bestimmten Zeitpunkten während des Trocknungsprozesses ermöglicht. Zusätzlich wird ein kombinierter Nahinfrarot-Wirbelstromsensor zur Inline-Überwachung des Trocknungszustandes entwickelt. Das Projekt konzentriert sich somit auf drei qualitäts- und kostenkritische Aspekte in der Batteriezellproduktion und zielt darauf ab, durch die Bereitstellung von Analysemethoden, Anlagentechnik und Prozessverständnis einen wesentlichen Beitrag zu einer wirtschaftlich und ökologisch nachhaltigen Batterieproduktion zu leisten.
Projektziele
Um die meist unklaren Anforderungen an die Atmosphäre im Lagerraum zu adressieren, sollen für unterschiedliche Pulvermaterialien kostengünstige Lagermöglichkeiten identifiziert werden. Durch umfangreiche Lagerversuche wird das Degradationsverhalten der Materialien, abhängig von den Lagerbedingungen und -dauern, untersucht. Hierdurch wird eine Präzisierung der Anforderung an die Atmosphäre beim Lagern und Handling von Pulvermaterialien angestrebt, sodass die Produktionskosten durch reduzierten Energieaufwand bei der Luftaufbereitung bzw. Bereitstellung von Inertgasatmosphäre gesenkt werden können. Die Ergebnisse sollen in einem Lagersystemkonzept zusammengefasst werden, wobei unterschiedliche Produktionsszenarien und Durchsätze berücksichtigt werden. Das Lagersystemkonzept soll einem Anwender bei der Fabrikplanung dienen, um die Rohstofflagerung kosten- und energiesparend für eine materialflexible Klein-, Mittel- oder Großserienproduktion auszulegen.
Die Implementierung von Inline-Sensorik ermöglicht ein erweitertes Prozessverständnis, um Anomalien im Mischprozess frühzeitig zu erkennen bzw. zu vermeiden. Durch eine Analysemethode, die die Mischgüte definiert und auf Messdaten (Viskosität, Partikelgrößenverteilung, Drehmoment, Temperatur, etc.) aus dem Prozess basiert, kann der Mischprozess zielgerichtet gesteuert werden, sodass eine Verringerung des Zeit- und Energieaufwands erwartet wird. Um den zeitabhängigen Verlauf der Viskosität im Mischprozess zu untersuchen und darüber die Mischgüte zu validieren, wird am IKTS ein neuartiger, kommerzieller Sensor zur Viskositätsmessung evaluiert und im Mischprozess integriert. Solche kontinuierlichen Sensoren kommen aktuell nicht zum Einsatz, daher erfolgen Viskositätsmessungen nur prozessbegleitend. Um die Problematik der fehlenden Sensorik zur Überwachung der Elektrodenqualität während der Trocknung zu beheben, soll im Projekt ein kombinierter Wirbelstrom- und Nahinfrarot-spektroskopischer Sensor aufgebaut werden. Erste Laborversuche haben gezeigt, dass mit dem Wirbelstromverfahren das Perkolationsverhalten und mit der Nahinfrarot-Spektroskopie der Feuchtegehalt im Elektrodenmaterial während des Trocknungsprozesses verfolgt werden kann. Die prinzipielle Machbarkeit der Überwachung des Trocknungsprozesses mit dem Wirbelstromverfahren wurde somit bereits gezeigt. Der Neuheitsgrad dieser Inline-Sensorik liegt in der Kombination der beiden Prüfverfahren und der Applikation Batterie. Mit dem Wirbelstromverfahren soll das Perkolationsverhalten/Ausbildung der Elektrodenmorphologie während der Trocknung und mit den Nahinfrarot-Sensoren der Feuchtegehalt detektiert werden. Es wird anvisiert, über den Feuchtegehalt Rückschlüsse auf die Porenentleerung zu ziehen. Dadurch könnten kritische Trocknungsetappen während des Prozesses Inline bestimmt werden. Durch diesen kombinierten in-situ-Sensor soll eine intelligente Anlagensteuerung über Anpassung der Trocknungsprofile ermöglicht werden. Im Rahmen des Projektes werden hierzu Flächenlasermodule eingesetzt, da deren Temperaturregelung mit minimalem Zeitversatz angepasst werden kann. Durch das innovative Zusammenspiel mit der neu entwickelten Sensorik stellt dieses Anlagenkonzept eine ideale Ergänzung zu den bislang verwendeten Trocknungsverfahren dar. Die zusätzlichen Analysemethoden beider Prozesse erlauben eine Korrelation des Trocknungsverhaltens, insbesondere der Bindermigration, mit dem Mischprozess.
Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Daub
Technische Universität München
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb)
Boltzmannstr. 15, 85748 Garching b. München
Tel.: +49 89 289 15504
E-Mail: ruediger.daub@iwb.tum.de
Projektlaufzeit
01.01.2021-30.06.2024
Themenfeld
Förderkennzeichen
03XP0345A
Technologietransfer
Nach aktuellem Stand der Technik ist eine Inline-Überwachung der Prozesse Mischen und Trocknen zur Qualitätssicherung nur unzureichend implementiert. Die Prozessierung basiert in hohem Maße auf Empirik. Durch die fehlende Inline-Messtechnik ist das Prozessverständnis limitiert, sodass wenig in-situ-Daten über die Einzelprozesse Mischen und Trocknen und insbesondere deren Wechselwirkungen vorliegen. Erst die elektrochemische Auswertung der Zellen nach den zeit- und kostenintensiven Produktionsprozessen ermöglicht Rückschlüsse auf den Misch- bzw. Trockenprozess und potenzielle Fehlerursachen. Dies limitiert bisher die Anwendung von Methoden der Industrie 4.0 bei der Produktionssteuerung. Daher ist eine frühe Charakterisierung der Suspensions- und Elektrodeneigenschaften während des Fertigungsprozesses entscheidend für eine ausschussarme, energieeffiziente Batteriefabrik. Aus der Wissenschaft ist bekannt, dass fehlerhafte Prozesse (z. B. zu geringer Rußaufschluss beim Mischen oder zu hohe Trocknungsge schwindigkeiten) zu einer deutlichen Verschlechterung der C-Raten- und Zyklenstabilität aufgrund von Binder- und Leitrußgradienten in der Elektrode führen. Es wurden bereits Analysemethoden zur Suspensionscharakterisierung beschrieben, die jedoch nicht mit den Zelleigenschaften korreliert wurden. Zudem fehlt die Integration in eine bestehende Anlage zur kontinuierlichen Analyse. Auch im Rahmen des ProZell-Projekts MultiDis wurden Untersuchungen zur Verbesserung der Suspensionsqualität angesetzt. Diese stützten sich aber vorrangig auf Simulationen, sodass eine experimentelle Untersuchung noch aussteht.
Es ist bekannt, dass Pulvermaterialien in der Batterieproduktion in Normalatmosphäre degradieren. Neben einer geringeren Kapazität kann dies auch zur Gelierung im Mischprozess führen. Diese Phänomene werden vor allem bei nickelreichen Kathodenmaterialien z. B. NMC811 beobachtet. Zwar wurden bereits Studien angesetzt, die beschreiben, wie diese Materialien degradieren, allerdings können daraus keine geeigneten Lagerbedingungen abgeleitet werden. Häufig werden in der Industrie als Vorsichtsmaßnahme Inertgasatmosphären eingesetzt oder das gesamte Lager in Trockenraumumgebung versetzt, um feuchtesensitive, hochnickelhaltige Kathodenmaterialien zu lagern, ohne die notwendige Reinheit der Atmosphäre zu kennen.
Darüber hinaus gibt es aktuell keine Inline-Messtechnik zur Überwachung des Trocknungsvorganges während der Elektrodenherstellung. Einzig Lösungsmittelsensoren oder Oberflächentemperaturmessungen mittels Infrarot-Pyrometer werden teilweise in den Anlagen bzw. an der Abluft verbaut. Diese haben allerdings nicht das Ziel, die Qualität der Elektroden zu überwachen, sondern dienen lediglich dem Monitoring des Lösemittelgehalts und sind relevant für den Explosionsschutz (ATEX). Für das WS-Verfahren und der Nahinfrarot-Spektroskopie konnte in ersten Laborversuchen gezeigt werden, dass das Perkolationsverhalten bzw. der (Wasser‑) /Feuchtegehalt im Elektrodenmaterial während des Trocknungsprozesses verfolgt werden kann. Damit konnte die prinzipielle Machbarkeit der Überwachung des Trocknungsprozesses mit dem Wirbelstromverfahren bereits nachgewiesen werden.
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.
Legende
Unterstützung beim Pulverhandling feuchtesensibler Materialien, um möglichst kostengünstige Lösungen zur Lagerung zu finden.
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb)
Boltzmannstraße 15, 85748 Garching b. München
Tel.: +49 89 289-15504
E-Mail-Adresse: ruediger.daub@iwb.tum.de
System zum Inline-Monitoring von Elektrodensuspensionen mittels kontaktfreier akustischer und induktiv elektrischer Impedanzspektroskopie. Ortsauflösende Überwachung von Elektrodenflächen beim Trocknungsprozess mit Wirbelstromsensor-Arrays.
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Maria-Reiche-Str. 2, 01109 Dresden
Tel.: +49 351 88815-630
E-Mail-Adresse: henning.heuer@ikts.fraunhofer.de
Entwicklungsunterstützung bei der Lagerkonzeptionierung feuchtesensibler Pulvermaterialien sowie bei der Befähigung von Lasertrocknung, um Energieeffizienz in der LIB-Produktion zu erhöhen.
Thin Film Technology (TFT), KIT
Straße am Forum 7, 76131 Karlsruhe
Tel.: +49 (721) 608 29069
E-Mail-Adresse: wilhelm.schabel@kit.edu, philip.scharfer@kit.edu
Projektpartner
Technische Universität München
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb)
Boltzmannstr. 15, 85748 Garching b. München
Vertreten durch Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Daub
www.mec.ed.tum.de/iwb
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Thin Film Technology (TFT)
Kaiserstr. 12, 76131 Karlsruhe
Vertreten durch Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Schabel
www.tft.kit.edu
Fraunhofer-Gesellschaft
Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS)
Abteilung Mobile Energiespeicher und Elektrochemie
Winterbergstr. 28, 01277 Dresden
Vertreten durch Dr.-Ing. Mareike Partsch
www.ikts.fraunhofer.de
Fraunhofer-Gesellschaft
Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS)
Abteilung für Prüf- und Analysesysteme
Maria-Reiche-Str. 2, 01109 Dresden
Vertreten durch Prof. Dr.-Ing. Henning Heuer
www.ikts.fraunhofer.de