Projektbeschreibung AutKaM:
Automatisierte Prozessparameterfindung für das Kalandrieren von Elektroden mittels eines Zusatzmoduls für die Batteriezellproduktion

Ausgangslage:
Die Optimierung der Energiedichte ist essentiell für die Weiterentwicklung bestehender Batteriezellen. Insbesondere das Kalandrieren ist maßgeblich für das Erreichen einer hohen Energiedichte relevant. Dabei werden die beschichteten und getrockneten Elektrodenbahnen durch das Einwirken einer Linienlast im Kalanderspalt verdichtet, wodurch sich sowohl die volumetrische Energiedichte erhöhen, als auch die Kontaktierung der Partikel des Aktivmaterials zu den Stromsammlerfolien verbessern lässt. Die zur Kontaktierung der Elektroden erforderlichen Ableiter erfahren während des Kalandrierens keine Walzkräfte. Daher können Falten im Grenzbereich der Beschichtung entstehen. Ein solches Fehlerbild kann in nachgelagerten Prozessschritten zur Überschreitung der zulässigen Toleranzfenster führen.
Eine Möglichkeit, um eine homogenere Verteilung der Materialdehnung zwischen beschichteten und unbeschichteten Bereichen zu erhalten, bietet der Einsatz eines Kalander-Zusatzmoduls, welches die Elektrodenbahnen im unbeschichteten Bereich vor dem Eintreten in das Kalandrierwerk vorverdichtet. Im Rahmen des abgeschlossenen Forschungsprojekts PErfektZELL (FKZ: 03XP0179C) konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz einer solchen Anlagenerweiterung die Entstehung von Fehlerbildern wie beispielsweise Wrinkles reduziert werden kann. Um die Produktion von Batteriezellen mit gesteigerter Energiedichte künftig effizienter und qualitativ hochwertiger zu gestalten, bedarf es nun einer Optimierung dieses Prozesses gemäß dem aktuellen Stand der Technik.
Ziel:
Um die Anlagenerweiterung im Hinblick auf den industriellen Einsatz weiterzuentwickeln, bedarf es neben Ansätzen der Prozessautomatisierung insbesondere der Produktivitätssteigerung des Prozesses. Ziel soll es dabei sein, dass der Maschinenbediener relevante Materialparameter an die Anlage übergibt, sodass daraus auf Basis entwickelter Modelle die optimalen Prozessparameter generiert werden. Mittels systematischer Versuchsplanung (DoE) soll der Einfluss verschiedener Parameter untersucht werden. In Verbindung mit vereinfachten Modellen von Teilprozessen des Kalandrierens können daraus die zur automatisierten Inbetriebnahme erforderlichen Parameter abgeleitet werden. Das aus dem Konzept resultierende Potential zur Steigerung der Energiedichte führt zu einer Optimierung der Reichweite mobiler Anwendungen bei gleichem Bauraum. Ziel ist das im Projekt PErfektZELL entwickelte Zusatzmodul weiter zu automatisieren und die Prozessgeschwindigkeiten zu erhöhen. Desweiteren soll die Verarbeitung mehrstreifig beschichteter Elektrodenbahnen mit dem Zusatzmodul ermöglicht werden. Hiermit trägt das Forschungsvorhaben maßgeblich zur Erweiterung des Prozesswissens sowie der Weiterentwicklung des Zusatzmoduls für die Serientauglichkeit bei.

Vorgehen:
Hierfür erfolgt zunächst eine Anforderungsanalyse und Fehlerklassifizierung des Kalandrierprozesses um prozessseitige Randbedingungen zu definieren. Im nächsten Schritt wird anhand einer experimentellen Prozessmodellierung das Prozessverständnis verbessert. Gleichzeitig wird durch eine Materialcharakterisierung die Wechselwirkung zwischen der beschichteten Elektrode und der Aluminiumfolie weiter untersucht. Auf Basis dieser Erkenntnisse erfolgt anschließend eine Modellbildung des Kalandrierprozesses. Dieses Modell wird durch experimentelle Untersuchungen validiert und weiterentwickelt. Auf Basis dieses Modells erfolgt eine Prozessautomatisierung des Kalandrierens mit dem Zusatzmodul, mit dem Ziel die zuvor definierten Anforderungen zu erreichen. Im letzen Schritt werden die gewonnen Erkenntnisse auf mehrbahnige Elektroden übertragen und anhand dieser validiert.