Intelligente Kalandrierung

Das Kalandrieren als etablierter, eigenschaftsbestimmender Prozessschritt bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien steigert durch die Verdichtung der Elektroden die volumetrische Energiedichte und homogenisiert die mechanischen Eigenschaften der Elektrode. Dies führt zu reduzierten Produktschwankungen der Batteriezellen bei hohen Ratenbelastungen. Allgemein ist der Einfluss der Kalandrierung auf die Produkteigenschaften gut untersucht, wobei die Auswirkungen bei Anoden und Kathoden zu unterscheiden sind. Für Anoden zeigt sich, dass eine hohe Verdichtung zu einem Anstieg des Diffusionswiderstandes führt, während eine leichte Verdichtung den elektrischen Widerstand und den irreversiblen Kapazitätsverlust verringern und sich somit positiv auswirken kann. Ein vergleichbares Verhalten zeigt sich bei den Benetzungseigenschaften von Graphitanoden. Zunächst führt eine leichte Verdichtung zu einer Verbesserung der Elektrolytaufnahme aufgrund einer vorteilhaften Ausrichtung der Aktivmaterialpartikel, während eine starke Verdichtung zum Verschluss einzelner Kapillaren innerhalb des Porennetzwerks infolge der Porositätsabnahme führt, was die Elektrolytaufnahme verschlechtert. Kathodenaktivmaterialien weisen gegenüber Anodenaktivmaterialien deutlich geringere elektrische Leitfähigkeiten auf, somit ist die Verdichtung bei Kathoden durch die steigende Vernetzung zwischen Aktivmaterial und Ruß-Bindermatrix von besonderer Bedeutung. Für Aktivmaterialien wie Lithium-Titanat-Oxid, Lithium-Eisen-Phosphat und Lithium-Kobalt-Oxid wurde gezeigt, dass die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit einen höheren Einfluss aufweist als die Steigerung des Diffusionswiderstandes durch die Abnahme der Porosität. Für Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid- und Lithium-Mangan-Oxid-Kathoden konnte zusätzlich eine Steigerung der Adhäsionskraft zwischen Elektrodenbeschichtung und Substratfolie beobachtet werden. Diese nimmt zunächst bis zu einem mittleren Verdichtungsgrad ab, bevor sie im Zuge höherer Linienlasten zunimmt. Im Gegenzug ist jedoch mit einer Verschlechterung der Benetzungseigenschaften durch den Elektrolyten zu rechnen.
Die Materialeigenschaften und Produktzusammensetzung haben einen großen Einfluss auf den Herstellungsprozess und das Zelldesign und legen unter anderem die mechanischen Eigenschaften des Zielprodukts fest. Das eingesetzte Material und die Zusammensetzung beeinflussen auch den Kalandrierprozess. Lässt sich eine Elektrode leichter verformen, so kann die gewünschte Zieldichte mit geringeren Liniendrücken eingestellt werden. Grundsätzlich gilt es, ein teils enges Fenster optimaler Porosität und Tortuosität einzustellen, um die bestmögliche Leistungsfähigkeit der Elektroden zu erzielen. Die Wechselwirkungen zwischen dem Verdichtungsprozess und den Produkteigenschaften sind dabei materialspezifisch und unterscheiden sich demnach nicht nur von Anoden zu Kathoden, sondern sind ebenso in der Wahl der Aktivmaterialien und der gesamten Zusammensetzung der Elektrode zu differenzieren. Ein Model zur prädikativen Voraussage der Elektrodenstruktur und der resultierenden Elektrodenperformance ist bisher nicht bekannt und soll im Rahmen dieses Vorhabens durch die Entwicklung eines Produktzwillings realisiert werden. Dies würde den Versuchsaufwand und die damit einhergehenden Kosten deutlich senken, insbesondere in Verknüpfung mit dem im ebenfalls im Vorhaben geplanten Anlagenzwilling. Für die Erstellung eines Produktzwillings sind die vorhergehenden Prozessschritte und somit die Eingangseigenschaften der Elektrode äußerst relevant und werden aktuell in ProZELL – MiKal (03XP0240) untersucht. Für den Aufbau eines Produktzwillings wurde auf ein bereits bestehendes DEM-Simulationsmodell zurückgegriffen, welches das mechanische Verhalten einer partikulären Elektrodenbeschichtung bei externer Krafteinwirkung simuliert. Des Weiteren werden Methoden aus der Bildverarbeitung verwendet, die es auf Basis einer bestehenden Struktur ermöglichen, weitere Produkteigenschaften wie elektrische und elektrochemische Verhalten abzubilden und zu bewerten.

Neben dem eingesetzten Material und der Zusammensetzung haben die Prozessparameter beim Kalandrieren einen starken Einfluss auf die Zellperformance. Gleichzeitig hat die zur Verdichtung verwendete Anlagentechnik Einfluss auf die Verdichtungseigenschaften der Elektrode. Die Wahl der Kalandrierparameter muss somit einerseits in Bezug auf die letztendlichen Batteriezelleigenschaften und andererseits in Bezug auf die dazwischenliegenden Prozessschritte getroffen werden. Das Kalandrieren kann aufgrund diverser Material- sowie anlagenseitigen Ursachen Fehlerbilder hervorrufen, die zu Ausschuss führen oder die Handhabung in fortführenden Prozessschritten erschweren. Damit ist ein Optimum beim Kalandrieren der Elektroden zu finden, das die Weiterverarbeitung der Elektroden zulässt und im gleichen Zug zu den gewünschten Eigenschaften der Batteriezelle führt.

Dies verdeutlicht die Bedeutung einer modellbasierten Prozessführung für eine prädiktive Bestimmung optimaler Prozessparameter beim Kalandrieren sowie der resultierenden Porenstruktur und Elektrodenperformance. Die Aufstellung und Entwicklung von Modellen, die eine autonome Prozesssteuerung der Kalandrieranlage und Vorhersage von erreichbaren Produkteigenschaften ermöglichen, erfordert allerdings eine umfangreiche empirische Grundlage in Bezug auf Maschinenverhalten, Prozessparametern und Produkteigenschaften. Für die Umsetzung einer autonomen Prozesssteuerung werden insbesondere Inline-Messdaten benötigt, mit denen sowohl eine zeitliche als auch lokale Überlagerung bewerkstelligt werden kann. Hierfür existieren nach aktuellem Erkenntnisstand für den Bereich der Kalandrierung kaum Studien. Wie eingangs beschrieben, beziehen sich die meisten Untersuchungen auf die Korrelation zwischen der Verdichtung und hier vor allem der Porositätsabnahme und den Produkteigenschaften, insbesondere der elektrochemischen Performance.

Ein erstes Modell, welches die zum Erreichen einer Zielelektrodendichte benötigte Linienlast unter Berücksichtigung von unter anderem der Walzentemperatur und des Verdichtungswiderstands vorhersagt, existiert bereits. Dieses gilt es auch im Rahmen dieses Projekts zu erweitern und für eine Anwendung in der industriellen Fertigung auszulegen.

Vor dem Hintergrund der Ausschussreduktion, Steigerung der Reproduzierbarkeit und Reduktion der Produktschwankungen ist eine ganzheitliche Betrachtung des Kalandrierprozesses, wie im Vorhaben InteKal angedacht, notwendig. Dazu gehören zum einen die bereits erwähnten Produkt- und Anlagenzwillinge, welche eine prädiktive Betrachtung des Maschinen- und Produktverhaltens bis hin zur elektrochemischen Performance ermöglichen. Zum anderen ist eine adaptive und intelligente Prozessführung mit aussagekräftigen Quality Gates für eine kostenoptimierte Produktion, zur Steigerung der Reproduzierbarkeit und zur Minimierung der Produktschwankungen unerlässlich. An dieser Stelle setzt das im Vorhaben enthaltene cyber-physische System an. Als cyber-physisch werden Systeme bezeichnet, welche physische Maschinen oder Anlagen auf Grundlage von Modellen, basierend auf Inline-Daten in Echtzeit steuern bzw. regeln. Im Vorhaben InteKal wurden dazu zunächst die Inline-Messdaten unter Verwendung von KI-gestützten Modellen aufbereitet und Quality Gates für ein „Tracking & Tracing“-System definiert. Die Wechselwirkungen von Anlagen- und Produktparametern wurden über die Inline-Daten erfasst und dienen der Entwicklung physikalischer und numerischer Ersatzmodelle für das Hybridmodell, welches die innovative und autonome Anlagensteuerung übernimmt. Das Vorhaben erhält seinen Neuheitsgrad durch die Modellbildung anhand innovativer Anlagentechnik und Verwendung von Methoden aus dem Bereich Industrie 4.0 und führt das Kalandrieren somit zu einem Optimum.