HEADLINE - High-power high-load Li-Ionen Zellentwicklung für extrudierte Elektroden

Abstract

Die Brabender GmbH & Co. KG (heute Anton Paar TorqueTec GmbH) unterstützt im HEADLINE-Projekt bei der Entwicklung und Optimierung von Technologien zur Herstellung von Batteriematerialien. Das Unternehmen fokussiert sich in diesem Zusammenhang auf die Weiterentwicklung von Labor-Extrudern und Formgebungswerkzeugen, um die Qualität der Extrudate und die Handhabung der Pilot-Fertigungsprozesse zu verbessern. Ein Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung und Optimierung von Breitschlitzdüsen, die für die Verarbeitung von hochviskosen und hochgefüllten Massen für die Herstellung von Batterieelektroden eingesetzt werden. Dabei wird die Integration von Prüftechnologien ermöglicht, um Schichteigenschaften wie Dicke und Homogenität während des Prozesses in Echtzeit zu überwachen. Durch die Zusammenarbeit mit den Kooperationspartnern wird ein digitaler Zwilling für die Simulation und Optimierung der Strömungsverhältnisse innerhalb der Extruder entwickelt. Diese Simulationen unterstützen die experimentelle Validierung und Verbesserung der Düsengeometrien. Darüber hinaus arbeitet Brabender an der Anpassung neuer Materialien, wie alternativer Binder und Lösungsmittel, für den Extrusionsprozess und optimiert die Mischung sowie Dosierung hochviskoser Pasten. Ziel ist es, die Prozessqualität und Ressourceneffizienz zu steigern, während gleichzeitig innovative Technologien auf industrielle Maßstäbe übertragen werden. Zum Projektbeginn war die Laborextrusion für Batteriematerialien technisch fortgeschritten, aber mit Entwicklungsbedarf behaftet. Breitschlitzdüsen waren etabliert, jedoch durch Einschränkungen wie unzureichende Qualität der Randbereiche und Schichtdickeninhomogenität gekennzeichnet, was zusätzlichen Materialverlust verursachte. Rundstrangdüsen boten zwar eine bessere Homogenität, jedoch waren die Extrudate ungeeigneter für die Elektrodenherstellung. Die Integration von Prüftechnologien wie die Ultraschallmessung zur Überwachung der Homogenität und Partikelgrößenverteilung entwickelte sich weiter, blieb aber in ihrer Aussagekraft limitiert. Zudem wuchs der Bedarf an alternativen, umweltfreundlichen Bindern und Lösungsmitteln, um gesundheitsschädliches NMP zu ersetzen. Simulationstools für die Analyse von Fließverhalten und Prozessparametern wurden zunehmend eingesetzt, waren jedoch noch nicht vollständig in die Prozessentwicklung integriert. Insgesamt bot die Laborextrusion zum Projektbeginn eine solide Basis, jedoch mit signifikantem Potenzial für Verbesserungen in Effizienz, Materialnutzung und Prozesskontrolle. Im Rahmen des HEADLINE-Projekts erarbeitete die Brabender GmbH wesentliche Ansätze zur Optimierung von Extrusionsprozessen zur Verarbeitung von Batteriematerialien. Rechnergestützte Auslegungsumgebungen für neue Düsengeometrien wurden erarbeitet, die auf die rheologischen Eigenschaften der Batteriemassen abgestimmt werden können. Mithilfe von CFD-Simulationen wurde die strömungsmechanische Balancierung der Flex-Lip-Breitschlitzdüsen und Kleiderbügelverteiler unterstützt, um eine gleichmäßige Formmassenverteilung sicherzustellen. Die computergestützte Optimierung ermöglichte eine schnelle Anpassung der Werkzeuge an fortlaufende Erkenntnisse. Darüber hinaus wurden Peripherieeinrichtungen wie Filmabzüge weiterentwickelt, um die Handhabung und Verarbeitung der extrudierten Materialien zu verbessern. Zusätzlich wurden neue Pumpensysteme für hochviskose Medien integriert, um die Dosierung und Zuführung dieser Materialien zu optimieren. Parallel dazu erfolgte die Integration von Inline-Prüftechnologien in die Extrusionsprozesse. Die Ultraschallanalyse wurde in Prototypen eingebunden, um die Homogenität, Partikelgrößen oder Morphologien in Echtzeit zu erfassen. Diese Inline-Prüftechniken können in Zukunft für eine verbesserte Prozesskontrolle genutzt werden. Die erzielten Ergebnisse bieten eine Grundlage für effizientere und nachhaltigere Produktionsverfahren und zeigen Potenzial für zukünftige Anwendungen sowie die industrielle Skalierung.