Autor: Fabienne Huttner

Bei der Steigerung der Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Lithium-Ionen- Batterien (LIBs) stellt insbesondere der Eintrag von Wasser während der Produktion eine große Herausforderung dar. Zu hohe Restfeuchten in LIB-Zellen können zu drastisch eingeschränkter elektrochemischer Performance führen und bergen ein großes Sicherheitsrisiko, weshalb die Zellkomponenten vor dem Zellbau nachgetrocknet werden müssen. Obwohl die Nachtrocknung sehr energieaufwändig ist und einen großen Einfluss auf die Produktqualität hat, ist sie nach wie vor nicht im Detail erforscht und verstanden. Die vorliegende Arbeit hat deshalb ein besseres Verständnis und die Optimierung des Vakuum-Nachtrocknungsprozesses von LIB-Elektroden sowie die Erforschung des Wassersorptionsverhaltens der Elektroden zum Ziel. Für ein tiefgehendes Prozessverständnis muss die Prozesstechnik über die mikroskopische Elektrodenstruktur mit den makroskopischen Elektrodeneigenschaften korreliert werden. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen basieren deshalb auf dem Konzept der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Die Ergebnisse zeigen, dass hohe Nachtrocknungsintensitäten zwar einerseits niedrige Restfeuchtegehalte erzielen, andererseits aber die Mikrostruktur der Elektroden und ihre mechanischen, elektrischen und elektrochemischen Funktionseigenschaften schädigen können. Die elektrochemische Performance wird also nicht nur durch den Restfeuchtegehalt, sondern ebenfalls signifikant durch die Nachtrocknungsintensität beeinflusst. Aufbauend auf den identifizierten Prozess-Struktur- Eigenschafts-Beziehungen wird ein allgemeines Verständnis für den Prozess der Vakuum-Nachtrocknung ganzer Elektrodencoils erarbeitet und eine vergleichsweise moderate II-Phasen-Vakuum-Nachtrocknungsprozedur konzipiert und erfolgreich praktisch angewandt. Für ein besseres Verständnis des Sorptionsverhaltens von LIB-Elektroden werden zudem der Einfluss der Mikrostruktur, des Aktivmaterials und des Taupunkts beim Zellbau auf die Wassersorption untersucht und daraus Prozess-Struktur-(Eigenschafts-)Beziehungen abgeleitet. Die im Rahmen dieser Arbeit identifizierten Prozess-Struktur-(Eigenschafts-)Beziehungen bei der Nachtrocknung und dem Wassersorptionsverhalten von LIBs tragen maßgeblich zu einem besseren Prozessverständnis bei. Sie bilden die Grundlage für eine wissensbasierte Auslegung des Nachtrocknungsprozesses sowie des Feuchtemanagements über die gesamte Prozesskette und leisten somit einen wesentlichen Beitrag zur Energie- und Kosteneinsparung sowie Steigerung der Produktqualität und -sicherheit von LIBs.