Vakuum-Nachtrocknung und Wassersorption von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien
von Fabienne HuttnerBei 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.
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.