Kompensation der Wrinkle-Bildung beim Kalandrieren von Lithium-Ionen-Kathoden - Vom Prozessverständnis des Kalandrierens bis zur Prozessoptimierung mittels Anti-Wrinkle-Modul

Die voranschreitende Elektrifizierung der unterschiedlichsten Branchen verlangt nach
einer optimierten Produktion der dazu notwendigen Energiespeicher, den Batterien. Besonders
wichtig ist es, die Eigenschaft Energiedichte von Batteriezellen zu erhöhen.
Ein entscheidender Prozessschritt ist dafür das Kalandrieren von Batterieelektroden zur
Steigerung der Energiedichte. Insbesondere die Herstellung von Kathodenelektroden
für Lithium-Ionen-Batteriezellen stellen für den Produktionsprozess für eine hohe Energiedichte
und damit einhergehend einer starken Verdichtung eine Herausforderung dar.
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Dabei tritt ein prägnanter Elektrodendefekt auf, die sogenannten „Wrinkles“. Hierbei
handelt es sich um Falten auf der Elektrode am Übergang von der Beschichtung hin
zum unbeschichteten Randbereich. Das Augenmerk dieser Arbeit liegt darin, den Elektrodendefekt
aufzunehmen, mit Parametern zu beschreiben, zu bewerten und in Zusammenhang
zu Prozessparametern zu bringen. Statistische Versuchspläne lassen allgemeingültige
Aussagen zu den Wirkzusammenhängen zu, sodass eine Modellbildung
möglich ist. Der Erkenntnisgewinn der Wechselwirkungen zwischen Material, Elektrodendefekt
und Prozessparametern ermöglicht die detaillierte Ursachenfindung des
Elektrodendefekts und damit die Ableitung einer materialunabhängigen prozesstechnischen
Gegenmaßnahme.
Zur Detektion der Elektrodendefekte wird der Kalander um Inline-Qualitätssicherungen
ergänzt. Es handelt sich dabei zum einen um ein Markierungssystem, das ein Muster
auf die Elektrode im unkalandrierten Zustand aufbringt. Die Veränderung des Musters
durch das Kalandrieren lässt eine Beurteilung der eingebrachten Dehnung im Dreidimensionalen
zu. Zum anderen wird inline ein Linienlaser verwendet, um die entstehenden
Falten, die sogenannten „Wrinkles“, geometrisch zu vermessen.
Das Ergebnis der Arbeit ist die Umsetzung eines Zusatzprozesses am Kalander, der
sich an jeder Kalanderanlage materialunabhängig einsetzen lässt. Die durch das Kalandrieren
eingebrachte Dehnung in den beschichteten Bereich wird in den unbeschichteten
Randbereich übertragen. Das in der Arbeit erarbeitete Anti-Wrinkle-Modul am Kalander
sieht folglich die Einbringung dieser Streckung in den Randbereich vor. Dadurch
weist die Elektrode nach dem Kalandrieren einen homogenen Materialzustand auf.

The increasing electrification of a wide range of industries requires optimized production
of the necessary energy storage devices, the batteries. It is particularly important to
increase the energy density of battery cells. A key process step is the calendering of
battery electrodes to increase the energy density. In particular, the production of cathode
electrodes for lithium-ion battery cells is a challenge for the production process for
high energy density and the related high degree of compression.
In this process, a prominent electrode defect occurs, the so-called "wrinkles". ... mehrThese
are folds on the electrode at the boundary between the coating and the uncoated edge
area. The focus of this work is to detect the electrode defect, to describe it with parameters,
to evaluate it and to relate it to process parameters. Statistical experiment designs
allow generally valid statements to be made about the interactions, so that model
building is possible. The knowledge gained of the interactions between material, electrode
defect and process parameters enables the detailed determination of the cause
of the electrode defect and thus the development of a material-independent processengineering
countermeasure.
To detect the electrode defects, the calender is upgraded with inline quality assurance
systems. One of these is a marking system that applies a pattern to the electrode in the
uncalendered state. The change in the pattern due to calendering allows an evaluation
of the introduced strain in three dimensions. Secondly, a line laser is used in line to
geometrically measure the resulting wrinkles.
The result of the work is the implementation of an additional process on the calender
that can be used on any calendering line, regardless of the material. The strain introduced
into the coated area by calendering is transferred to the uncoated edge area.
The anti-wrinkle module on the calender created in the work consequently provides for
the introduction of a stretch in the uncoated edge area. As a result, the electrode shows
a homogeneous material state after calendering.