Rheologie von Slurries im Produktionsprozess von Batterien – der Einfluss von Mischungsprozeduren

Einführung

Batterien und Brennstoffzellen spielen eine zentrale Rolle für die mobile und stationäre Energieversorgung, um aufstrebende Bereiche wie Elektromobilität, tragbare elektronische Geräte und industrielle Energiespeicherung zu erschließen. Verschiedene Arten von Batterien nutzen eine Vielzahl unterschiedlicher Rohstoffe; die zentralen Komponenten umfassen jedoch in der Regel Elektroden (Anode und Kathode), Separatoren, Elektrolyte und Gehäuse (z. B. Heimes et al. 2018). Kurz gesagt, der typische Batterieherstellungsprozess beginnt mit dem Mischen von Rohmaterialien zur Bildung eines Slurries (mit unterschiedlicher Zusammensetzung), der auf ein Metallsubstrat aufgetragen wird und die Elektrode bildet. Auf das Stapeln, Schweißen und Verpacken der Elektroden und des Separators folgt das Füllen mit Elektrolyt und die Versiegelung.

Die festen Hauptbestandteile von Batterieslurries umfassen typischerweise Aktivmaterial (80 bis 97 Gew.-%), Bindemittel (1 bis 10 Gew.-%), leitfähige Additive (0,5 bis 10 Gew.-%) und ggf. weitere Additive (z. B. Lanceros-Méndez & Costa 2018). Die Feststoffe werden mit einem Lösungsmittel gemischt und dispergiert, sodass der endgültige Slurry typischerweise 30 bis 60 Gew.-% Feststoffanteil enthält. Die Prozessanforderungen an den Mischprozess sind ausreichende Homogenisierung, Sedimentationsstabilität bei niedrigen Scherraten und niedrige Viskosität bei hohen Scherraten. Letztere ist für den nachfolgenden Beschichtungsprozess erforderlich. Darüber hinaus werden ein ausreichendes Verlaufen und die gewünschte Nassschichtdicke nach dem Beschichtungsprozess durch die zeitabhängigen viskoelastischen Eigenschaften gesteuert (z. B. Mezger 2016). Bei wasserbasierten Slurries müssen die rheologischen Eigenschaften in der Regel durch Dispergierhilfen und Verdicker an die Anforderungen der Beschichtungs-anlagen angepasst werden (Li et al. 2011).