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Strahlschichtprozessierung zur Strukturierung von leitfähigen Batterieaggregaten

Einspeisung von Feststoffströmen in eine Strahlschichtanlage in Dispersionsgas
Einspeisung von Feststoffströmen in eine Strahlschichtanlage in Dispersionsgas

Projektleitung:

Prof.Dr.-Ing. Stefan Heinrich
Technische Universität Hamburg

In diesem Projekt wird eine neuartige Strahlschichtanlage für die Erzeugung von Hetero-Aggregat-Kompositen optimiert. Die Komposite, die aus drei Materialien bestehen, sollen für den Einsatz in Feststoffbatterien geeignet sein. Die Materialien, deren Primärpartikelgrößen zwischen 40 nm und 1 μm liegen, werden innerhalb des SPP von der Arbeitsgruppe von Prof. Kwade in Braunschweig zur Verfügung gestellt und stellen Kandidaten für die Produktion von Hochleistungsbatterien dar. Die Komposite werden in der Strahlschicht durch Vermischung der Einzelkompenten und durch Aggregation mittels interpartikulärer Haftkräfte geformt. Hauptvorteil der Methode liegt in der lösemittelfreien und skalierbaren Prozessführung.

Für eine ausreichende Vermischung der drei Materialien werden zwei neue Ansätze für die Einbringung von Feststoff in eine Strahlschicht untersucht: Zum einen die Einführung über eine zentrale, düsenähnliche Zuführung, zum anderen die Einbringung über den Fluidiationsluftstrom. Nach dem Umbau einer bestehenden, miniaturisierten Strahlschichtanlage werden die Komposite erzeugt und auf ihre mechanischen Eigenschaften und die Zusammensetzung untersucht. Insbesondere die Stabilität der Aggregate sowie die Verteilung der einzelnen Stoffe innerhalb der Komposite sind entscheidende Faktoren für die spätere Anwendung in Feststoffbatterien.

Die elektro-chemischen Eigenschaften, vor allem die ionische und elektrische Leitfähigkeit, werden in Braunschweig untersucht. Durch den Austausch der Arbeitsgruppen im Rahmen des SPP werden die Prozessparameter, wie Feststoffmassenströme, Gasgeschwindigkeiten und Bettmassen, variiert und dadurch der Einfluss der Prozessparameter auf die Aggregatstruktur analysiert. Hierdurch werden die optimalen Bedingungen zur Erzeugung leistungsfähiger Komposite für den Einsatz in Feststoffbatterien ermittelt.Die Grundlage des Projekts ist die Auswertung und Erweiterung bereits bestehender theoretischer Modelle für interpartikuläre Kräfte bei der Trockenbeschichtung.

Durch experimentelle und simulative Untersuchungen sollen die auftretenden Kräfte, wie Kohäsion, Bruch und Kompression, die auf die Partikel während des Strahlschichtprozesses wirken, analysiert und quantifiziert werden. Die Strömung in der Anlage wird über eine CFD-Simulation berechnet, um die Geschwindigkeitstrajektorien der Einzelpartikel zu bestimmen. Über diese Werte können die Einzelpartikelinteraktionen durch DEM simuliert werden.

Ziel dieser Arbeit ist es, das Verhalten beim trockenen Beschichtungsprozess in einer Strahlschicht anhand von numerischen Modellen für die Mikroprozesse vorherzusagen. Dies kann anschließend für die Bilanzierung des Prozesses mittels Populationsbilanzen genutzt werden, die wiederum für die Implementierung eines Modells in der Fließschemasimulationssoftware Dyssol benötigt werden. Außerdem werden so die Grundlagen für weitergehende gekoppelte CFD-DEM-Simulationen gelegt, die für die zweite Förderperiode des SPP geplant sind.