Experimentelle und simulative Ansätze zur Beschleunigung der Elektrolytbefüllung von Lithium-Ionen-Batterien

Ein besonders zeitkritischer Prozessschritt in der Batteriefertigung ist die Befüllung der Lithium-Ionen-Batterie mit flüssigen Elektrolyten. Das Einfüllen und die Absorption des Elektrolyten in die poröse Struktur des Elektrode-Separator-Verbundes sind mit hohen Durchlaufzeiten verbunden. Die hohen Durchlaufzeiten zeigen den Bedarf am Aufbau von Prozesswissen sowie der Erforschung und Modellierung neuer Technologien im Themenfeld. Gegenstand der Arbeit ist daher die Identifizierung und Evaluierung experimenteller und simulativer Ansätze zur Beschleunigung der Elektrolytbefüllung.

Der erste Teil der Arbeit fokussiert den Einfluss des Kalandrierens auf die Befüll- und Wettingzeit großformatiger Lithium-Ionen-Batterien. Die impedanzspektroskopischen Untersuchungen zeigen einen Zusammenhang zwischen der aufgebrachten Flächenlast und der Wettingzeit. Durch das Kalandrieren kann die Wettingzeit um bis zu 43 % reduziert werden. Folglich ist das Kalandrieren eine geeignete Technologie zur Senkung der Prozesszeit bei der Elektrolytbefüllung von großformatigen Pouch-Zellen. Die experimentelle und simulative Abbildung des Evakuierdruckeinflusses beim Vakuuminfusionsverfahrens ist ein weiterer Untersuchungsgegenstand. Dafür wird ein Versuchsstand zur Vakuuminfusion zur Elektrolytbefüllung vorgestellt und die Wettingfront in Abhängigkeit vom Evakuierdruck untersucht. Die bei einem im Vergleich niedrigerem Evakuierdruck befüllten Zellen zeigen einen höheren Benetzungsgrad und ein schnelleres Voranschreiten der Benetzungsfront. Zur zeitoptimierten Auslegung des Vakuum¬infusionsverfahrens wird ein Modell zur Abbildung der Wettingfront über die Impulsbilanz übertragen. Das Modell kann den Einfluss des Evakuierdruckes für den initialen und den asymptotischen Bereich der Wettingfront abbilden. Im letzten Teil der Studie wird die Röntgenradiografie als in-situ-Methode zur optischen Charakterisierung der Elektrolytbefüllung evaluiert. Dafür werden prozess- und materialspezifische Anforderungen als Auswahlkriterien definiert. Die Röntgenradiografie kann eine Vielzahl der Kriterien erfüllen und als neue Methode zur In-situ-Visualisierung des Befüll- und Wettingprozesses großformatiger Lithium-Ionen-Batterien etabliert werden.

Die in der Arbeit gewonnenen Erkenntnisse liefern einen wichtigen Beitrag für eine zeitoptimierte Auslegung des Prozessschrittes der Elektrolytbefüllung. Durch die Untersuchung neuer Technologien wie dem Kalandrieren und der Vakuuminfusion wird hierfür die notwendige Voraussetzung geschaffen. Die Modellierung der Benetzungsfront sowie die Erarbeitung einer aufwandsarmen In-situ-Visualisierungsmethode unterstützen eine kosteneffiziente Prozessauslegung. Damit wird ein wichtiger Beitrag für eine qualitäts-, zeit- und kosteneffiziente Elektrolytbefüllung und folglich zur Batterieproduktion in Deutschland geleistet.