Extrusion von NMP-basierten Suspensionen für Lithium-Ionen-Batterieelektroden

Diese Dissertation untersucht Prozesse zur Herstellung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien und fokussiert insbesondere die Dispergierung von Suspensionen mittels eines kontinuierlich arbeitenden Doppelschneckenextruders, der im Bereich der Batteriezellfertigung neuartig ist und ein erhebliches Potenzial für den Einsatz in der Großserienfertigung aufweist.
Ein wichtiger Teil dieser Arbeit besteht in der Beschreibung der physikalischen Vorgänge innerhalb des Extruders. Angewendet wird ein für den Extrusionsprozess abgewandeltes Beanspruchungsmodell, das die Bestimmung der volumen-spezifischen Energie in Abhängigkeit von unterschiedlichen Produkt- und Prozessparametern darstellt. In Korrelation mit der Partikelgröße des Leitrußes ermöglicht das Modell eine optimierte Prozesssteuerung für die Herstellung von Suspensionen mit zuvor gezielt definierten Eigenschaften. Es kann zudem für das Scale-up von Anlagen genutzt werden.
Zentrales Ergebnis dieser Arbeit ist die Beschreibung des Einflusses der Rußpartikelgröße auf die Eigenschaften der Elektrode. Der Ruß bildet zusammen mit dem Binder eine Ruß-Binder-Matrix, die einen signifikanten Einfluss auf die Elektrodeneigenschaften hat. Als Ergebnis wurden einerseits strukturelle und mechanische Veränderungen aufgezeigt und andererseits Zusammenhänge zwischen dem elektrischen Widerstand einer Elektrode und deren elektrochemischer Performance ausgearbeitet. Diese Zusammenhänge wurden zu einer Vorstellung über die mechanischen Eigenschaften von Elektroden weiterentwickelt. Hierbei zeigte sich, dass ein rezepturspezifisches Optimum für die Leitrußgröße existiert,
da sowohl eine zu geringe als auch eine zu starke Rußdestrukturierung zu einer schlechteren elektrochemischen Performance führen kann.
Die in dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse können für eine Prozess- und Produktoptimierung genutzt werden, die sowohl wirtschaftliche als auch qualitative Anforderungen an Suspensionen für die Elektrodenfertigung berücksichtigen und somit einen Beitrag zu einer kosten- und qualitätsoptimierten Massenfertigung von Li-Ionen-Batterien leisten.