Feuchtemanagement in der Produktion von Lithium-Ionen Batterien

Kosfeld, Malte, Dirk, Ulrich

doi:10.24355/dbbs.084-202412171200-0

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Feuchtemanagement in der Produktion von Lithium-Ionen Batterien

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Der globale Wettbewerb von Lithium Ionen Batterien (LIB) treibt die Entwicklung in der Herstellung stetig voran. Bereits geringe Mengen an Wasser, in der Produktion von LIB, können zu einer schlechteren Zellperformance führen können. Ein möglichst breites Wissen über die Interaktion zwischen Feuchte und Produkt ist daher funda-mental, um die Feuchtigkeit zu kontrollieren und eine effektive Prozessierung zu er-möglichen. Dieses Wissen wird in der Arbeit in fünf Schritten sukzessiv erschlossen.

Zunächst wird ermittelt, wie der Wassergehalt aller Komponenten zuverlässig gemes-sen werden kann. Bei der verwendeten indirekten coulometrischen Karl Fischer Titra-tion (icKFT) ist neben des Probenhandlings die Auswahl der Prozessparameter wie die Messtemperatur entscheidend für den detektierten Wassergehalt.

Auf dieser Basis wird untersucht, wie viel und wie schnell Feuchtigkeit die Materialien aus der Umgebung während der Produktion aufnehmen. Alle Komponenten agieren auf einem tiefen Feuchteniveau, wobei Kathoden weniger und langsamer Wasser (in ppmw) aufnehmen als Anoden oder der Separator. Überall wurde ein Hystereseverhal-ten beobachtet. Zudem gilt, je nickelreicher Kathoden, desto größer die Feuchteauf-nahme und der Anodenbinder sorgt fast alleine für die Feuchte in der Anode.

Messungen aus dem Pilotlinienbetrieb zeigten, dass Atmosphäre und Kalandrieren die Produktfeuchte beeinflussen können. In der Zelle trägt die Anode über die Hälfte der absoluten Gesamtfeuchte (mg) ein, die Kathode etwa ein Viertel, der Separator ca. ein Siebtel. Eine zwischenzeitliche Exposition an feuchterer Luft (7 % rF) als im Tro-ckenraum hat zu keiner signifikanten Verschlechterung der Zellperformance geführt.

Danach wurden Strategien zur Minimierung der Produktfeuchte verglichen. Tempera-tur, Betriebsdruck, Verweilzeit und Form des Trocknungsguts bestimmen die Rest-feuchte und ihre Verteilung. Es wird empfohlen, nach einer Nachtrocknung unter tro-ckenen Bedingungen weiterzuarbeiten. Kathode und Separator müssen im Gegensatz zur Anode nicht einzeln nachgetrocknet werden, sondern nur im Zellverbund.

Abschließend wurde der Einfluss thermischer Belastung bei Elektroden auf deren me-chanische Eigenschaften und die Zellperformance untersucht. Dabei konnte festge-stellt werden, dass Schichtdicke und plastische Verformbarkeit beider Elektroden so-wie die Anodenhaftfestigkeit durch thermische Beanspruchung erhöht wird. Allerdings wirkten sich hoher Wassergehalt bei der Kathode und eine allgemein hohe thermische Belastung negativ auf die Zellperformance aus.

Global competition in the lithium ion battery (LIB) sector is constantly driving the de-velopment in its production. Even small amounts of water during the production, can lead to poorer cell performance. A broad knowledge of the interaction between prod-uct and moisture is therefore fundamental to control moisture and enable effective processing. This work elaborates this knowledge stepwise in five interrelated steps.

To be able to investigate the moisture behavior of the components, it is obligatory to detect the water content in the individual components of the LIB reliably. The indirect coulometric Karl-Fischer titration was used and needed to be investigated at first. In addition to the ambient atmosphere and sample handling the selection of process pa-rameters such as analyzing temperature is crucial for the detected water content.

On this basis it was studied, how much moisture from the environment is absorbed by the individual components and how fast this takes place. Overall, all components are at a low moisture level, with cathodes absorbing less and slower water (in ppmw) than anodes or the separator. Hysteresis behavior was determined for all materials, and it could be shown, that the higher the nickel rate in cathodes, the greater the moisture uptake. Also the anode binder is responsible for almost all of its moisture content.

Measurements from pilot line production campaigns were able to show that both the atmosphere and calendering can influence the water content of the products. In the cell, the anode contributes more than half of the total absolute moisture (in mg), the cathode about a quarter, and the separator about a seventh. Intermittent exposure to more humid air (7% relative humidity) than in the drying room did not result in signifi-cant degradation of cell performance.

Strategies for minimizing product moisture in the production were subsequently com-pared. Temperature, operating pressure, residence time and shape of the dried prod-uct determine the residual moisture and its distribution. It is recommended to continue working under dry conditions after post-drying. In contrast to the anode, the cathode and separator do not have to be baked individually, but only in the cell compound.

Finally, the influence of thermal stress on electrodes on their mechanical properties and cell performance was investigated. It was found that the layer thickness and plas-tic deformability of both electrodes as well as the anode adhesion strength are in-creased by thermal stress. In addition, high water content at the cathode and a gen-erally high thermal load have a negative effect on cell performance.