ProMeBa

Anlagen- und Prozessentwicklung zur skalierten Herstellung mehrlagiger Next-Gen-Batterieelektroden – ProMeBa

Fördergeber: BMFTR (03XPB040C)

Projektbearbeitung: Silas Wolf

Laufzeit: 3 Jahre (01.06.2026 – 31.05.2029)

Zusammenfassung des Gesamtprojektes:

Die Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Kosten von Lithium-Ionen-Batterien hängen maßgeblich von der Struktur ihrer Elektroden ab. Die heute üblichen einlagigen, homogenen Elektroden stoßen bei steigenden Anforderungen an Energiedichte, Schnellladefähigkeit und Zyklenstabilität zunehmend an ihre Grenzen. Mehrlagige Elektrodenarchitekturen bieten hier einen vielversprechenden Ansatz. Durch Gradienten in Porosität, Binderverteilung, Partikelgröße oder Aktivmaterial lassen sich Ionentransport, Haftung und mechanische Stabilität gezielt einstellen. Laborstudien belegen eine verbesserte Ratenfähigkeit, eine höhere Zyklenstabilität und eine bis zu zehnfach gesteigerte Haftfestigkeit. Bislang sind diese Vorteile jedoch auf den Labormaßstab, sequenzielle Verfahren oder Trockenbeschichtung beschränkt. Ein simultaner, nasschemischer Mehrlagenauftrag im industriellen Rolle-zu-Rolle-Prozess wurde noch nicht realisiert, obwohl er eine einfache Integration in bestehende Linien verspricht und durch die gemeinsame Trocknung aller Lagen energieintensive Zwischentrocknungen einspart.

Hier setzt das Verbundprojekt ProMeBa an, das die Fertigung mehrlagiger Anoden und Kathoden bis in den Pilotmaßstab entwickelt. Auf Basis eines Materialscreenings und modellgestützter Elektrodenauslegung werden zunächst geeignete Rezepturen und Schichtarchitekturen im Labor erarbeitet. Kern des Vorhabens ist ein neu entwickeltes Beschichtungsmodul mit Zwei-Lagen-Schlitzdüse und integrierter In-line-Viskositätsmessung. Es wird in bestehende Pilotlinien integriert und mit der Mehrlagenvorhangbeschichtung als alternativem Verfahren verglichen. Begleitend werden Trocknung und Kalandrierung simuliert und die Elektroden bis hin zu großformatigen Pouchzellen elektrochemisch bewertet. Die Ergebnisse münden in das Konzept eines Innovationsmoduls für die Serienfertigung.

Ziele und Aufgaben des iPAT

• Aufbau einer gekoppelten CFD-DEM-Simulation der Trocknung mehrlagiger Elektroden, einschließlich der Binder- und Leitrußmigration über die Lagengrenzen
• Nachgeschaltete DEM-Kalandriersimulation zur Vorhersage von Verdichtung, Rückfederung und Restspannungen
• Kalibrierung und Validierung der Simulationskette anhand experimenteller Labordaten
• DoE-basierte Simulationsstudien zur Identifikation kritischer Parameter und robuster Prozessfenster für Trocknung und Kalandrierung
• Ableitung interpretierbarer Gleichungen mit einem hybriden, physik-informierten KI-Framework, das Dimensionsanalyse, symbolische Regression und Transformer kombiniert
• Überführung der validierten Korrelationen in Modelle reduzierter Ordnung als Grundlage für digitale Zwillinge

Projektpartner: RWTH Aachen (PEM), RWTH Aachen (ISEA), Fraunhofer IKTS, NETZSCH-Gerätebau GmbH, 8inks Deutschland GmbH