Beschreibung
Diese Dissertation untersucht Prozesse zur Herstellung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien
und fokussiert insbesondere die Dispergierung von Suspensionen mittels eines kontinuierlich
arbeitenden Doppelschneckenextruders, der im Bereich der Batteriezellfertigung neuartig ist und
ein erhebliches Potenzial für den Einsatz in der Großserienfertigung aufweist.
Ein wichtiger Teil dieser Arbeit besteht in der Beschreibung der physikalischen Vorgänge innerhalb
des Extruders. Angewendet wird ein für den Extrusionsprozess abgewandeltes Beanspruchungsmodell,
das die Bestimmung der volumen-spezifischen Energie in Abhängigkeit von
unterschiedlichen Produkt- und Prozessparametern darstellt. In Korrelation mit der Partikelgröße des
Leitrußes ermöglicht das Modell eine optimierte Prozesssteuerung für die Herstellung von
Suspensionen mit zuvor gezielt definierten Eigenschaften. Es kann zudem für das Scale-up von
Anlagen genutzt werden.
Zentrales Ergebnis dieser Arbeit ist die Beschreibung des Einflusses der Rußpartikelgröße auf die
Eigenschaften der Elektrode. Der Ruß bildet zusammen mit dem Binder eine Ruß-Binder-Matrix, die
einen signifikanten Einfluss auf die Elektrodeneigenschaften hat. Als Ergebnis wurden einerseits
strukturelle und mechanische Veränderungen aufgezeigt und andererseits Zusammenhänge
zwischen dem elektrischen Widerstand einer Elektrode und deren elektrochemischer Performance
ausgearbeitet. Diese Zusammenhänge wurden zu einer Vorstellung über die mechanischen
Eigenschaften von Elektroden weiterentwickelt. Hierbei zeigte sich, dass ein rezepturspezifisches
Optimum für die Leitrußgröße existiert, da sowohl eine zu geringe als auch eine zu starke
Rußdestrukturierung zu einer schlechteren elektrochemischen Performance führen kann.
Die in dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse können für eine Prozess- und Produktoptimierung
genutzt werden, die sowohl wirtschaftliche als auch qualitative Anforderungen an Suspensionen für
die Elektrodenfertigung berücksichtigen und somit einen Beitrag zu einer kosten- und
qualitätsoptimierten Massenfertigung von Li-Ionen-Batterien leisten.