Intelligentes Electrospinning in der Zellfertigung mittels Maschinellem Lernen
Motivation
Im Projekt „IntelliSpin“ wird ein alternativer Prozessschritt zur Erhöhung der Flexibilität bei der Lamination von Lithium-Ionen-Akkumulatoren untersucht. Im Speziellen werden nicht laminierfähige Separatoren betrachtet, welche zur Lamination befähigt werden sollen. Dies wird durch die Electrospinning-Technologie, welche das Einbringen einer dünnen Polymerschicht ermöglicht, erreicht. Die eingetragene Schicht, ein Nanofaser-Vlies, zeichnet sich einerseits durch eine hohe Porosität und andererseits durch eine geringe Massenbeladung aus – ideale Eigenschaften für eine passive Laminationsschicht in Lithium-Ionen-Akkumulatoren. So können die Vorteile der Lamination auch bei ursprünglich nicht laminierfähigen Separatoren ermöglicht werden.
Projektinhalt
Im Bereich der Produktion von Lithium-Ionen-Akkumulatoren liegt der Fokus des Projektes „IntelliSpin“ auf der Lamination – dem Herstellen einer permanenten mechanischen Verbindung von Elektroden und Separatoren. Eine Möglichkeit, solch einen mechanisch belastbaren Verbund auch bei nicht laminierfähigen Separatoren zu ermöglichen, stellt die Oberflächenmodifikation durch das Einbringen einer dünnen Polymerschicht dar. Solch eine dünne Schicht wird bei Electrospinning-Prozessen als Nanofaser-Vlies mit geringer Massenbeladung aufgetragen. Im Projekt wird die Anwendung des neuartigen Beschichtungsverfahrens hinsichtlich seiner Verwendbarkeit in der Zellfertigung untersucht. Hierfür werden Versuchsserien durchgeführt, um den Einfluss der Nanofaser-Schicht in der Lithium-Ionen-Zelle zu ergründen. Des Weiteren wird eine neuartige Prozessbeobachtung entwickelt, welche die Optimierung und damit einhergehende Industrialisierung von Electrospinning-Prozessen in der Zellfertigung beschleunigt.
Projektziele
Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens IntelliSpin ist die Befähigung von Electrospinning-Prozessen als innovative Beschichtungsverfahren in der industriellen Produktion von Lithium-Ionen-Batterien. Konkret soll die Lamination von Elektrode und Separator durch das Einbringen einer dünnen Polymerschicht mittels Electrospinning erforscht werden. Hierbei gilt es, zwei wesentliche Forschungslücken zu adressieren: Einerseits muss der Einfluss von gesponnenen Schichten in der Zelle experimentell erforscht werden (Produktaspekt). Dabei ist nicht nur die Beschichtung und anschließende Lamination zu untersuchen, sondern auch deren Auswirkungen auf spätere Prozessschritte in der Lithium-Ionen-Batterie-Produktionskette bis hin zu einer elektrochemischen Charakterisierung der finalen Lithium-Ionen-Batteriezellen. Auch muss die Einsetzbarkeit der Electrospinning-Technologie unter Einhaltung aller Voraussetzungen an die Produktionsumgebung in der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien untersucht werden (Produktionsaspekt). Hierfür müssen Anforderungen an eine industrielle Produktion gesammelt und die Skalierbarkeit des Prozesses geprüft werden. Um sowohl die Untersuchungen hinsichtlich des Produkt- als auch des Produktionsaspektes zu unterstützen soll im Forschungsprojekt der Einsatz von neuartiger Sensorik zur Prozessbeobachtung und ‑auswertung eingesetzt werden. Dabei gilt es mit datengetriebenen Methoden den Einsatz der Electrospinning-Technologie in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien zu unterstützen und die Befähigung der Technologie zu beschleunigen.
Kontakt
Prof. Dr. rer. nat. Karl-Heinz Pettinger
Hochschule für angewandte Wissenschaften Landshut (HAWL)
Technologiezentrum Energie (TZE), Wiesenweg 1
94099 Ruhstorf an der Rott
Tel.: +49 8531 914044 11
E-Mail: karl-heinz.pettinger@haw-landshut.de
Projektlaufzeit
01.01.2021-31.12.2023
Themenfeld
Technologietransfer
Das Laminieren von Lithium-Ionen-Batteriezellen ist Stand der Technik und wird bereits eingesetzt, da sich daraus Vorteile für nachfolgende Prozessschritte und die elektrochemischen Eigenschaften der Lithium-Ionen-Batteriezelle ergeben. Dabei wird durch einen laminierbaren Separator unter Druck und Hitze eine Haftverbindung zwischen den Elektroden hergestellt. Solche Separatoren zeichnen sich durch einen höheren Preis und eine eingeschränkte Auswahl an verfügbaren Separatoren aus. Darüber hinaus schränken die Parameter der Laminierung wie Druck und Hitze die Verwendbarkeit bestimmter Materialien für solche laminierbaren Separatoren weiter ein.
Der Electrospinning-Prozess ist ein Beschichtungsverfahren, mit dem eine dünne Schicht aus Nanofasern auf ein Substrat aufgebracht werden kann (siehe Abbildung 1). Nanofasern ermöglichen aufgrund ihrer außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften neuartige Beschichtungen. Einzelne Nanofasern haben einen Durchmesser von einigen hundert Nanometern. Typische thermoplastische Polymere, die für die Laminierung von Lithium-Ionen-Batteriezellen verwendet werden, können in Electrospinning-Prozessen zu Schichten aus Nanofasern verarbeitet werden.
Das physikalische Grundprinzip des Electrospinning ist simpel: Ein mit einer Polymerlösung benetzter Draht wird einem starken elektrischen Feld (10 bis 100 kV) ausgesetzt, wodurch sich in der Flüssigkeit einzelne Erhebungen bilden (siehe Abbildung 2). Diese so genannten Taylor-Koni bilden den Ausgangspunkt für mikrofluidische Strömungskanäle der Polymerlösung. Durch das starke elektrische Feld wird die Polymerlösung in diesen Kanälen in Richtung des Substrats beschleunigt, das zur Gegenelektrode des elektrischen Feldes ausgerichtet ist. Kontrollierte Umgebungsbedingungen in Bezug auf Temperatur und Feuchtigkeit bewirken, dass das Lösungsmittel auf dem Weg vom Draht zum Substrat verdampft. Dort lagern sich dann dünne und trockene Polymer-Nanofasern auf dem Substrat ab.
Die Morphologie der Nanofasern, wie z.B. ihre Dicke, hängt dabei stark von den eingestellten Prozessparametern ab. Neben den Anlagenparametern beeinflussen viele im Labor bestimmbare chemische und physikalische Eigenschaften der Polymerlösung den Prozess. Aufgrund des komplexen elektrohydrodynamischen Kräftegefüges in der Polymerlösung ist das Verhalten im Electrospinning-Prozess kaum vorhersagbar. Die Optimierung dieser Lösungen erfordert einen hohen Aufwand und spezifisches Expertenwissen, da die Qualität der Nanofasern mit herkömmlichen Lichtmikroskopen nicht oder nur schwer überprüft werden kann. Die Qualität der Nanofasern sowie die Prozessstabilität werden von Experten anhand von aufwendig erstellten Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen beurteilt (siehe Abbildung 3). Dies führt zu einer für Electrospinning-Prozesse typischen langwierigen Optimierung der Spinning-Parameter.
Es ist jedoch möglich, kamerabasierte Sensorik einzusetzen, um den Prozess zu beobachten und anhand einzelner Merkmale zu charakterisieren. Da Electrospinning-Prozesse in hoher Geschwindigkeit und auf mikroskopischen Skalen stattfinden stellt dies Herausforderungen an das externe Kamerasystem. Eine durchgeführte Charakterisierung kann jedoch dazu genutzt werden, um frühzeitig Aussagen über die Prozessstabilität zu treffen und somit die Entwicklung von industriell einsetzbaren Electrospinning-Prozessen zu beschleunigen.
Während bei typischen Electrospinning-Anwendungen, wie der Herstellung von Filtermaterialien, der Faserdurchmesser als entscheidendes Zielkriterium optimiert wird, sind für den Einsatz beim Laminieren von Lithium-Ionen-Batteriezellen vor allem die thermoplastischen Eigenschaften des Polymers sowie die Oberflächenbedeckung der Schicht aus Polymer-Nanofasern entscheidend. Die Polymere müssen daher nach ihren thermoplastischen Eigenschaften ausgewählt und anschließend auf ihre Spinnbarkeit untersucht werden. Außerdem muss die Menge der Nanofasern auf dem Substrat genau eingestellt werden, um den Ionentransport in der Lithium-Ionen-Batteriezelle nicht negativ zu beeinflussen.
Die Prozesskombination Electrospinning-Lamination, bei der gesponnene Schichten aus Polymer-Nanofasern für die Laminierung genutzt werden, ist noch nicht ausreichend erforscht. Während das Electrospinning als Verfahren in der Grundlagenforschung intensiv untersucht wird, ist eine industrielle Anwendung in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien nach heutigem Stand der Technik noch nicht gegeben. Die feinporige Struktur der Nanofasern und die außergewöhnlichen Eigenschaften der dünn aufgetragenen Schichten machen diese zu einem vielversprechenden Kandidaten für einen zukünftigen Einsatz in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien.
Für einen erfolgreichen Einsatz in der Produktion von Lithium-Ionen-Batteriezellen ist der Einfluss der Prozesskombination Electrospinning-Lamination auf nachgelagerte Prozessschritte experimentell zu untersuchen. Die Prozessbewertung durch datengetriebene Methoden sowie die darauf aufbauende beschleunigte Parameteroptimierung für industriell einsetzbare Electrospinning-Prozesse kann dabei einen erheblichen Beitrag zur Industrialisierung der Technologie leisten.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Prozesskombination Electrospinning-Lamination bisher weder experimentell untersucht noch auf ihre industrielle Eignung für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien überprüft wurde. Neue Ansätze für die langwierige Prozessoptimierung sind ebenso notwendig wie die Sicherstellung der Stabilität in kontinuierlichen Prozessen. Es besteht noch erheblicher Forschungsbedarf im Bereich der Prozessoptimierung und -steuerung, um das volle Potenzial der Technologie für die Entwicklung neuartiger Beschichtungen auszuschöpfen.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens konnte gezeigt werden, dass die Prozesskombination Electrospinning-Lamination eine Alternative zum konventionellen Laminieren mittels intrinsisch laminierbaren Separatoren darstellt. Für die Verfahrenskombination wurden sowohl der Produktaspekt als auch der Produktionsaspekt untersucht, wobei die wichtigsten erzielten Ergebnisse dem Prozessablauf folgend erläutert werden.
Laboruntersuchungen der Eigenschaften von für das Spinning geeigneten Polymerlösungen
Verschiedene Polymere wurden auf ihre thermoplastischen Eigenschaften für die Lamination geprüft und anschließend experimentell auf ihre Spinnbarkeit untersucht. Dazu wurden Polymerlösungen hergestellt, im Labor hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften vermessen und anschließend in Spinning-Experimenten auf ihre grundsätzliche Spinnbarkeit untersucht. Dabei wurde ein Hochgeschwindigkeitskamera-basiertes Prozessbeobachtungssystem aufgebaut, um die Dynamik der Polymerlösung auf dem Draht in Bildern zu erfassen (siehe Abbildung 2).
Entwicklung von Algorithmen zur Merkmalsextraktion aus Inline-Prozessbeobachtungen
Die Aufnahmen der Hochgeschwindigkeitskamera wurden anschließend zur Entwicklung von Algorithmen zur quantitativen Erfassung der identifizierten Merkmale verwendet. Insbesondere die Anzahl der Taylor-Koni sowie die Kante der Polymerlösung am Draht können Aufschluss über den Prozess geben. In Abbildung 4 sind diese erfassten Merkmale in eine typische Aufnahme der Prozessbeobachtung eingezeichnet. Die für die industrielle Anwendung notwendige Stabilität von Elektrospinnprozessen kann durch statistische Analysen der Merkmale gewährleistet werden. Beispielsweise können durch die Analyse der Merkmale über mehrere Aufnahmen hinweg eindeutige Phasen des Spinning-Prozesses erkannt und dadurch ein Prozessdrift bereits frühzeitig vermieden werden (siehe Abbildung 5).
Nachgelagerte Experimente zur Produktcharakterisierung
Um die Eignung der mit Polymer-Nanofasern beschichteten Separatoren für die Lamination von LIB-Zellen zu prüfen, wurden Experimente zu deren Charakterisierung durchgeführt. In einem ersten Schritt wurde der Bedeckungsgrad der gesponnenen Polymer-Nanofaserschichten aus rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen der Proben bestimmt. Dazu wurden Bildverarbeitungsalgorithmen entwickelt, die diese aus den erhaltenen Aufnahmen extrahieren konnten (siehe Abbildung 6). Durch die Analyse mehrerer solcher Aufnahmen konnte ein Prozessmodell erstellt werden, mit dem der Bedeckungsgrad bei Variation der Substratgeschwindigkeit vorhergesagt werden kann.
Zur Überprüfung der Permeabilität der Nanofaserbeschichtung nach dem Laminieren wurden Versuchsreihen zur Eingrenzung des Prozessfensters durchgeführt. Im Einzelnen wurden in Gurley-Experimenten die Laminationsparameter Druck und Temperatur variiert. Als letzter Schritt der Charakterisierung wurden Versuchsreihen zur Bestimmung der Haftfestigkeit des laminierten Zellverbundes durchgeführt, um die für eine erfolgreiche Lamination erforderlichen Haftkräfte experimentell zu bestätigen.
Zellbau und anschließende elektrochemische Charakterisierung
Um die verbesserten Eigenschaften der mittels der Prozesskombination Electrospinning-Lamination hergestellten Lithium-Ionen-Batteriezellen nachzuweisen, wurden elektrochemische Charakterisierungen von laminierten und unlaminierten Zellen durchgeführt. In den dabei durchgeführten Tests mit hohen Lade- und Entladeströmen (C-Rate-Test) sowie Langzeittests mit bis zu 200 Zyklen zeigen die mit der Prozesskombination Electrospinning-Lamination hergestellten Zellen eine höhere Entlade- und Restkapazität als unlaminierte Zellen (siehe Abbildung 7). Dies lässt auch auf ein verbessertes Alterungsverhalten der Zellen schließen.
Operator-Tool zur Analyse von Electrospinning-Prozessen
Bei neu für die Prozesskombination Electrospinning-Lamination eingesetzten Polymeren ist es notwendig, neben einer Optimierung der Parameter auch die Stabilität der Electrospinning-Prozesse garantieren zu können. Zu diesem Zweck wurde ein Operator-Tool entwickelt, das die Überprüfung der Stabilität durch statistische Auswertung von Merkmalen ermöglicht. Dabei werden Einzelbilder der Electrospinning-Prozesse über definierte Zeiträume beobachtet und ausgewertet (siehe Abbildung 8).
Wirtschaftlichkeit und Machbarkeit des industriellen Einsatzes der Prozesskombination Electrospinning-Lamination
Um den Produktionsaspekt der Prozesskombination Electrospinning-Lamination zu untersuchen wurden die Anforderungen einer skalierten Produktion von Lithium-Ionen-Batterien erhoben und aktuelle Electrospinning-Anlagentechnik hinsichtlich dieser Anforderungen geprüft. Um zusätzlich die Wirtschaftlichkeit der Technologie abzuschätzen, wurden Angebote für industrielle Electrospinning-Anlagen eingeholt und ein Kostenmodell erstellt. Die Kosten für den Einsatz der Prozesskombination Electrospinning-Lamination in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien wurden auf einen Bereich von 1,83 €/kWh bis 3,67 €/kWh eingegrenzt.
Legende
Das mögliche Industrieangebot bezieht sich auf Beratung im Bereich der Nanofaser-Beschichtungstechnologie durch Electrospinnen. Dabei können Einschätzungen zu den Einsatzbedingungen, möglichen Anwendungsbereichen und Limitationen der Technologie abgegeben werden.
Hochschule für angewandte Wissenschaften Landshut (HAWL)
Technologiezentrum Energie (TZE)
Wiesenweg 1, 94099 Ruhstorf an der Rott
Tel.: +49 8531 914 044 11
E-Mail-Adresse: karl-heinz.pettinger@haw-landshut.de
Tel.: +49 8531 914 044 30
E-Mail-Adresse: viktoria.peterbauer@haw-landshut.de
Das Industrieangebot umfasst grundlegende Elektrospinning-Laminationsexperimente, um die Machbarkeit des Einsatzes bei vorgegebenen Separatoren und Elektroden zu demonstrieren. Hierbei werden Messungen und Charakterisierungen entlang der gesamten Prozesskette durchgeführt.
Hochschule für angewandte Wissenschaften Landshut (HAWL)
Technologiezentrum Energie (TZE)
Wiesenweg 1, 94099 Ruhstorf an der Rott
Tel.: +49 8531 914 044 11
E-Mail-Adresse: karl-heinz.pettinger@haw-landshut.de
Tel.: +49 8531 914 044 30
E-Mail-Adresse: viktoria.peterbauer@haw-landshut.de
Das Industrieangebot umfasst das Prüfen der Stabilität von Elektrospinning-Prozessen durch den Einsatz von kamerabasierter Inline-Sensorik und darauf aufbauender Bildverarbeitung.
Technische Universität München (TUM) Institut für Werkzeugmaschinen
und Betriebswissenschaften (iwb)
Boltzmannstraße 15, 85748 Garching b. München
Tel.: +49 89 289 15500
E-Mail-Adresse: ruediger.daub@iwb.tum.de
Tel.: +49 89 289 15489
E-Mail-Adresse: stephan.trattnig@iwb.tum.de
Projektpartner
Hochschule für angewandte Wissenschaften Landshut (HAWL)
Technologiezentrum Energie (TZE)
Wiesenweg 1, 94099 Ruhstorf an der Rott
Vertreten durch Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger
www.haw-landshut.de
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