Strahlschichtprozessierung zur Strukturierung von leitfähigen Batterieaggregaten

Die Grafik veranschaulicht den Prozess der Einspeisung von Feststoffströmen in Dispersionsgas in ein Strahlenbett. Sie hebt die Expansionszone und darunter die durch den Prozess verursachte Aggregationszone hervor.
Einspeisung von Feststoffströmen in eine Strahlschichtanlage in Dispersionsgas

Projektleitung:

Prof. Dr.-Ing. habil. 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 10 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 Strahl- und Wirbelschicht durch Vermischung der Einzelkomponenten und durch Aggregation mittels interpartikulärer Haftkräfte geformt. Hauptvorteil der Methode liegt in der lösemittelfreien und skalierbaren Prozessführung. Zunächst werden Hochleistungsmaterialien mit hoher Energiedichte mit Festelektrolyt beschichtet, um Nebenreaktionen in der Batterie zu vermeiden.

Es stehen zwei neue Ansätze zur Verfügung: Zum einen die Einführung eines Aerosols in einer Strahlschicht. Und zum anderen die Prozessierung in einer Wirbelschicht. In diesen Anlagen werden die beschichteten Komposite vorverarbeitet und anschließend auf ihre mechanischen Eigenschaften und Eigenschaften untersucht. Insbesondere die Stabilität der Aggregate sowie die Verteilung der einzelnen Stoffe innerhalb der Komposite sind entscheidende Faktoren für die spätere Anwendung in Feststoffbatterien. Anschließend werden die beschichteten Partikel in den Anlagen zu Kompositen verarbeitet und auf Ihre Eigenschaften und Performance untersucht.

Die elektro-chemischen Eigenschaften, vor allem die ionische und elektrische Leitfähigkeit, werden in Gießen von Prof. Janek untersucht. Durch den Austausch der Arbeitsgruppen im Rahmen des SPP werden die Prozessparameter, wie Feststoffmassenströme, Gasgeschwindigkeiten, Bettmassen und weitere Prozessparameter variiert und dadurch der Einfluss 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 der Prozesse 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 Beschichtungs- und Mischprozess 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.