Innovative und effiziente Elektrodenherstellung: Der semi-trockene Prozess
Die Steigerung der Effizienz und die Reduzierung der Kosten im Produktionsprozess von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) sind entscheidend für die Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit und die Förderung der Marktdurchdringung von LIBs. Diesbezüglich wurde in dieser Arbeit ein neuartiger semi-trockener Prozess für die Elektrodenherstellung entwickelt, patentiert und bis zu einem Technologiereifegrad (TRL) von 5-6 skaliert. Dieser innovative Prozess dispergiert kontinuierlich im Extruder mit einem über 50% reduzierten Lösemittelanteil im Vergleich zur konventionellen Elektrodenfertigung. Die resultierenden Granulate aus der kontinuierlichen Dispergierung sind aufgrund des geringen Lösemittelanteils sedimentations- und lagerstabil. Luftdicht verschlossen können diese Granulate auch nach mehreren Monaten weiterverarbeitet werden, ohne dass die Elektrodeneigenschaften beeinträchtigt werden. Dies ermöglicht eine zeitliche und räumliche Entkoppelung der Teilprozessschritte, was zu höherer Flexibilität in der Produktion führt. Die Granulate werden im Folgeprozessschritt in einem Mehrwalzenkalander, welcher die Prozessschritte Beschichten, Trocknen und Verdichten integriert, zur Elektrode verarbeitet, wobei eine signifikante Einsparung an Platzbedarf, Investitionskosten, Prozesszeit und Energiebedarf im Vergleich zur konventionellen Fertigung erreicht wird. Der semi-trockene Prozess weist eine deutliche Energieeinsparung von etwa 91% für Kathoden und 89% für Anoden auf. Zudem wurden allgemeine Gesetzmäßigkeiten zur Quantifizierung der Beschichtbarkeit des semi-trockenen Prozesses in Abhängigkeit des Lösungsmittelanteils, mittels hergeleiteten Sättigungsgrad, nachgewiesen. Diese Erkenntnis eröffnet die Möglichkeit für neue Materialsysteme, anhand dieser Kenngröße eine erfolgreiche Prozessadaption mit realisierbarer Beschichtbarkeit zu gewährleisten. Zusätzlich wurden mithilfe thermodynamischer Bilanzgleichungen ein Berechnungsmodell für die präzise Vorhersage notwendiger Trocknungszeiten und der benötigte Energiebedarf für die konduktive Trocknung entwickelt. Dieses Berechnungsmodell ermöglicht eine grundlegende Auslegung der Trocknerstrecke im semi-trockenen Prozess in Abhängigkeit von der Skalierungsstufe, sowie die Auslegung des Trocknungsschrittes für verschiedene Materialsysteme. Der semi-trockene Prozess stellt jedoch auch Herausforderungen hinsichtlich erhöhter spezifischer Leistungseinträge während des Dispergierens dar. Die Struktur und Eigenschaften der Elektroden werden dadurch signifikant beeinflusst. Dennoch können durch die Anpassung von Prozessparametern überlegene Elektrodenstrukturen hinsichtlich der elektrochemischen Eigenschaften, insbesondere der C-Ratenfähigkeit, im Vergleich zu konventionell gefertigte Elektroden erzeugt werden. Insgesamt bietet der entwickelte Prozess eine wettbewerbsfähige Alternative zur Elektrodenherstellung mit klarem Fokus auf Effizienzsteigerung und Kostenreduktionen bei erhöhter Elektrodenqualität.
The increase in efficiency and the reduction of costs in the production process of Lithium Ion Batteries (LIBs) are crucial for strengthening competitiveness and promoting the market penetration of LIBs. Therefore, a novel semi-dry process for electrode manufacturing has been developed, patented, and scaled up to a Technology Readiness Level (TRL) of 5-6 in this work. This innovative process continuously disperses in the extruder with over 50% reduced solvent content compared to conventional electrode manufacturing. The resulting granules from continuous dispersion are sedimentation and storage-stable due to the low solvent content. Hermetically sealed, these granules can be further processed even after several months without changing electrode properties. This allows for a temporal and spatial decoupling of process steps, leading to increased production flexibility.
The granules are processed into an electrode layer in a multi-roll calender, integrating the coating, drying, and compacting processes, achieving significant savings in space, investment costs, process time, and energy consumption compared to conventional manufacturing. The semi-dry process exhibits a substantial energy saving of approximately 91% for cathodes and 89% for anodes.
Furthermore, general scientific regularities for quantifying the coating capability of the semi-dry process, depending on the solvent content, were developed using a saturation degree. This insight provides an opportunity for new material systems to ensure success ful process adaptation with achievable coating capability based on this parameter. Additionally, using thermodynamic balance equations, a calculation model was developed for the precise prediction of necessary drying times and the required energy for conductive drying. This calculation model allows for fundamental design of the drying section in the semi-dry process, depending on the scaling level and material system variations. However, the semi-dry process also presents challenges due to increased specific power in puts during dispersion, significantly influencing the structure and properties of the electrodes. Nevertheless, superior electrode structures with respect to electrochemical properties, especially C-rate capability, can be generated through the adjustment of process parameters compared to conventionally manufactured electrodes. Overall, the developed process offers a competitive alternative for electrode manufacturing with a clear focus on efficiency improvement, cost reduction, and enhanced electrode quality.
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