Intelligentes Electrospinning in der Zellfertigung mittels Maschinellem Lernen

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.