Autor: Paul Titscher

Mit der Weiterentwicklung leistungsfähiger Materialien für wiederaufladbare Batterien und dem wachsenden Bedarf an Batteriezellen für diverse Anwendungen spielt die Verarbeitung der Materialien zu Batterieelektroden eine zentrale Rolle. Erst die richtige Auslegung und Durchführung der verfahrenstechnischen Prozesse ermöglicht es, die Materialien an ihre Leistungsgrenzen zu bringen. Die Eigenschaften der Materialien bedingen dabei zugleich direkt deren Verarbeitbarkeit mit bestimmten Prozessrouten. In dieser Arbeit wird am Beispiel rußbasierter Schwefel-Kathoden für Lithium-Schwefel-Batterien untersucht, in wie weit sich durch die Anpassung der Parameter unterschiedlicher Prozesse die Eigenschaften der Kathoden verändern lassen. Dabei wird vor allem der Fokus auf den Vergleich von Dissolver und Extruder als Repräsentanten für die Batch- und die kontinuierliche Dispergierung gelegt, um deren Eignung für das Ruß-Schwefel-Materialsystem zu prüfen. Dafür wird anhand der Dispergierwirkung eine produktwirksame spezifische Leistung berechnet, welche den Vergleich der sehr unterschiedlichen Prozesse ermöglicht. Die Bewertung der Prozessparametervariation wird anhand der Suspensions- und Elektrodeneigenschaften, sowie an deren elektrochemischen Eigenschaften durchgeführt. Neben der Dispergierung wird auch die Beladung und die Verdichtung rußbasierter Schwefel-Kathoden untersucht. Um die Eigenschaften der Kathoden besser einordnen zu können, werden wässrige Bindersysteme und Kohlenstoffe mit höherer spezifischer Oberfläche vergleichend herangezogen und zu Schwefel-Kathoden verarbeitet. Hier ist vor allem der Einfluss auf die Prozessierbarkeit relevant, welche wiederum neue Prozessstrategien erfordert. Abschließend werden Kompositpartikel durch einen hochintensiven Mischprozess in einem Ringspaltmischer hergestellt und die Korrelation der Eigenschaften mit den Prozessparametern untersucht. Für einen Übertrag auf andere mechanische Prozesse wird eine Prozessintensität etabliert und abgeschätzt. Die Eigenschaften der aus den Kompositen hergestellten Elektroden werden beispielhaft analysiert und im Kontext der bisherigen Ergebnisse bewertet. Damit spannt diese Arbeit einen weiten Bogen über die gesamte Prozesskette der Elektrodenfertigung für Lithium-Schwefel-Batterien und betrachtet zentrale Verarbeitungsprozesse hinsichtlich ihrer Wirkmechanismen. Über die Abschätzungen der Beanspruchungsintensitäten werden Vergleiche zu anderen Prozessrouten und Korrelationen der Eigenschaften von Zwischen- und Endprodukten ermöglicht.