Reduktion der Längsfaltenbildung während des Kalandrierens von Batterieelektroden

Um den steigenden Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien (LIB) zu decken und den immer anspruchsvolleren Anforderungen gerecht zu werden, müssen sowohl die Materialei-genschaften als auch die Produktionsprozesse optimiert werden.
Der Prozessschritt des Kalandrierens sorgt für die Erhöhung der volumetrischen Ener-giedichte. Während dieses Prozesses treten verschiedene Fehlerbilder auf, wie z. B. Längsfalten, die in dieser Dissertation beschrieben werden. Längsfalten sind plastische Verformungen, die durch starke Verdichtungen und hohe Bahnzüge verursacht werden. Sie führen zu Maschinenstopps und erhöhen die Ausschussrate. ... mehrUm die Bildung von Längsfalten zu reduzieren, ist ein tiefgreifendes Material- und Prozessverständnis erforderlich.
Diese Arbeit zeigt eine Methodik zur Charakterisierung der Längsfalten anhand ihrer Höhe, ihrer Breite und ihres Abstands zur Beschichtungskante als Funktion der Pro-zessparameter Dichte, Bahnzug und Kalanderwalzentemperatur. Darüber hinaus werden die Materialeigenschaften Dehnung, Deformation, Biegesteifigkeit und Haftung der Beschichtung auf dem Substrat analysiert und mit den Eigenschaften der Längsfalten korreliert. Konventionelle Kathoden für LIB werden experimentell untersucht und hinsichtlich der Längsfalten und Materialeigenschaften mit einem flächenzentrierten Versuchsplan verglichen. Die Erkenntnisse scheinen teilweise allgemein anwendbar zu sein, während viele Korrelationen nur für ein Material gelten.
Eine Möglichkeit der Materialoptimierung ist die Entwicklung sogenannter Post-Lithium-Materialien, wie z. B. für die Natrium-Ionen-Batterie. Anhand von Hard Carbon (HC) Anoden wird experimentell gezeigt, dass die Erkenntnisse aus den Kathoden der LIB nicht uneingeschränkt auf HC-Anoden übertragbar sind. Auf der Suche nach allgemeingültigen Korrelationen müssen weitere Untersuchungen durchgeführt werden.
Durch die Anpassung der Prozessparameter können Längsfalten im erforderlichen Prozessfenster nicht verhindert werden. Daher werden Konzepte für eine zusätzliche Vorrichtung zur Reduktion der Längsfaltenbildung entwickelt und als Prototypen realisiert. Das kontinuierliche Rollenkonzept kann die Bildung von Längsfalten in bestimmten Fällen verhindern, da die Deformation der Kathode ausreichend kompensiert werden kann. Das diskontinuierliche Fingergreiferkonzept kann die Höhe der Längsfalten reduzieren, aber nicht verhindern. Die Klemmkraft und damit die Streckwirkung sind bei diesem Prototyp nicht ausreichend, sodass weitere Optimierungen erforderlich sind.

The need for lithium-ion batteries is increasing and the requirements for battery proper-ties are becoming more demanding. To meet these requirements, it is important to op-timize both the material and the production processes.
The calendering process step is essential for increasing the volumetric energy density. Various defect patterns, such as longitudinal wrinkles, which are described in this dis-sertation, occur during this process. Longitudinal wrinkles are plastic deformations caused by strong compaction and high web tension. They lead to machine stops and increase the scrap rate. ... mehrTo reduce the formation of longitudinal wrinkles, an in-depth understanding of the material and process correlations is required.
This work provides a methodology for characterizing the longitudinal wrinkles based on their height, width and distance to the coating edge as a function of the process parameters density, web tension and calender roll temperature. Furthermore, the material properties strain, deformation, bending stiffness and adhesion of the coating on the substrate are investigated and correlated with the properties of the longitudinal wrinkles. Conventional cathodes for lithium-ion batteries are experimentally examined and com-pared with regard to the longitudinal wrinkles and material properties using a central composite design of experiments. It is shown that the findings appear to be partially generally applicable, while many correlations only apply to one material.
One branch of material optimization is the development of so-called post-lithium materials, such as the sodium-ion battery. Using hard carbon anodes, it is shown experimentally that the findings from the lithium-ion battery cathodes cannot be transferred to hard carbon anodes without restriction. In the search for universally valid correlations, further investigations must be carried out.
Adjusting the process parameters cannot prevent longitudinal wrinkles in the required process window. Therefore, concepts for an additional device to reduce the longitudinal wrinkles are developed and realized as prototypes. The continuous roller concept can prevent the formation of longitudinal wrinkles in certain cases, as the deformation of the cathode could be sufficiently compensated. The discontinuous finger gripper concept is able to reduce the height of the longitudinal wrinkles, but cannot prevent them. The clamping force and thus the stretching effect are not sufficient for this prototype, so further optimization is needed.