Simulation der Produktion von Lithium-Ionen Zellen und Batteriepacks

Elektrodenproduktion

• Granulare Strömungssimulation der Mischung von Elektrodenslurries
• Thermische Simulation der Elektrodentrocknung
  
• Mechanische Simulation der Elektrodenkalandrierung 
   

Zell-  und Packassemblierung

• Strömungssimulation der Elektrolytbefüllung von Zellen
• Elektrochemische Simulation der Zellformierung
• Strömungssimulation des Ausschäumens von Batteriemodulen zur thermischen Isolation

Der erste Produktionsprozess ist das Mischen der sogenannten Elektrodenslurries, eine Mischung aus granularen Ausgangsstoffen und Lösungsmittel, für die beiden Elektrodenschichten. Dabei soll in möglichst kurzer Zeit eine homogene Mischung der Ausgangsstoffe erreicht werden. Unsere GRAIN Software ist in der Lage granulare Mischprozesse auch unter Berücksichtigung von Segregationseffekte für industrielle Mischer mit hohen Rotationsgeschwindigkeiten und für verschiedene Materialen zu berechnen. Darüber hinaus ermöglicht eine gekoppelte GRAIN-FLUID Simulation die Untersuchung der Wechselwirkung des granularem Elektrodenmaterials mit dem flüssigen Lösungsmittel.

Ein sehr energieintensiver Produktionsschritt bei den typischen Lösemittel-basierten Produktionsverfahren stellt die Elektrodentrocknung dar. Nachdem der Elektrodenslurry als Schicht auf den Stromabnehmer aufgetragen wurde, muss die Flüssigkeit auf einer bis zu 100 m langen Trocknungsstrecke durch Verdampfen restlos entfernt werden. Gängig sind hierfür konvektive Trocknungsverfahren aber auch induktive, konduktive, Laser oder Infrarottrocknung werden untersucht. Dabei geht es um ein möglichst schnelles Trocknen, das die Elektrodeneigenschaften nicht negativ beeinflusst (z. B. durch Rissbildung, Bindermigration oder Haftungsverlust).

Wir arbeiten an der Entwicklung von physikalischen Modellen, die in der Lage sind, die verschieden Prozessvarianten und Parameter (z. B. Trocknungstemperatur, Bandgeschwindigkeit) zu erfassen und eine Aussage über Trocknungsgrad, Energieeinsatz und Produktqualität erlauben.

Durch den sogenannten Kalandrierprozess entsteht nach der Elektrodentrocknung durch Verpressen eine definierte Elektrodenschichtdicke und Porosität. Dabei kommt es entlang der Elektrodendicke zu mechanischen Spannungen und Verformungen, welche sich wiederum auf die zukünftige mechanische Alterung der Elektrode auswirken können. Auch die Zellleistung kann durch zu starkes Kalandrieren negativ beeinflusst werden, falls dadurch Porenräume verschlossen und ionische Transportwege durch die poröse Elektrode verlängert werden.

Die aus dem Prozess resultierenden Strukturänderungen (z.B. Änderung der Porosität oder Porenstruktur) können in dreidimensionalen, mikrostrukturaufgelösten Strukturmechaniksimulationen auf Basis unserer Software FeelMath abgebildet und untersucht werden. Darüber hinaus erlaubt die Simulation die Betrachtung der lokal aufgelösten mechanischen Kräfte, so dass eine mögliche mechanische Schädigung während des Prozesses bewertet werden kann.

Ein zeitaufwändiger Produktionsschritt in der Zellfertigung ist der Benetzungsprozess, der auf das Einbringen des flüssigen Elektrolyten in das Zellgehäuse folgt. Dabei muss der Elektrolyt – getrieben von Kapillarkräften und äußeren Drücken – die Porenstruktur der Elektroden und des Separators möglichst homogen durchdringen. Die Zeit, die dieser Prozess benötigt, den Einfluss externer Bedingungen, sowie die Homogenität der Elektrolytverteilung kann mit unserer Software FLUID simuliert werden.

Direkt anschließend folgt der ebenfalls sehr zeitaufwändige Formierprozess, in dem die Zelle zum ersten Mal langsam zyklisiert wird, damit sich die passivierende SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase) auf der Anode ausbildet. Das materialspezifische Formierprotokoll ist entscheidend für die finalen Zelleigenschaften, insbesondere die Lebensdauer und Kapazität. Beim Formieren kommt es zu sogenannten »Formierverlusten«, d.h. einer Abnahme der Kapazität, die bereits beim Zelldesign berücksichtigt werden muss, damit die Kapazität der beiden Elektroden am Ende optimal balanciert ist. Auf Basis des elektrochemischen Modells in unserer Software BEST arbeiten wir an der Entwicklung eines Formiermodells, dass es ermöglicht, den Einfluss der Prozessparameter auf Dauer und Qualität der Formierung zu bewerten, zu optimieren und die Formierverluste vorherzusagen.

Zellen in einem Batteriemodul müssen thermische voneinander isoliert sein (zum Schutz vor einem schnellen Thermal Runaway – Überhitzen der Zelle durch einen sich selbst verstärkenden wärmproduzierenden Prozess) und mechanisch fixiert sein. Zylindrische Zellen werden hierbei häufig nebeneinander angeordnet und die Zwischenräume mit einem Schaum ausgefüllt. Mit unserer Software FOAM können wir die Ausbreitung und die Ausdehnung des Schaumes simulieren und anhand der Ergebnisse bereits im Voraus untersuchen, ob alle Bereiche erreicht werden, die gefüllt werden müssen, oder ob die Schaumverteilung homogen ist.