EP3942624A1

EP3942624A1 - Verfahren zur herstellung einer batterie

Info

Publication number: EP3942624A1
Application number: EP20705902.3A
Authority: EP
Inventors: Henning Dreger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-04-24
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2022-01-26
Also published as: US20220143894A1; WO2020216491A1; DE102019205825A1; CN114008815A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Batterien, bei welchem eine Suspension (12) mit einem veränderbaren Produktparameter (14) in einem Extrusionsprozess mittels eines Extruders (6) als Elektrodenpaste (4) extrudiert wird, bei welchem eine Anzahl von Extrusionsparametern (SK, G_E, c_m, n, V, t, p, T, γ, f) des Extrusionsprozesses bestimmt werden, bei welchem anhand der Extrusionsparameter (SK, g_E, c_m, n, V, t, p, τ, γ, f) ein extruderspezifisches Beanspruchungsmodell (16) berechnet wird, und bei welchem der Extrusionsprozess anhand des Beanspruchungsmodells (16) gesteuert und/oder geregelt wird.

Description

Beschreibung

Verfahren zur Herstellung einer Batterie

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie, bei welchem eine Suspension in einem Extrusionsprozess mittels eines Extruders als Elektro denpaste extrudiert wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine nach dem Verfahren hergestellte Batte rie.

Elektrisch antreibbare oder angetriebene Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elekt ro- oder Hybridfahrzeuge, weisen typischerweise einen Elektromotor als Antriebs maschine auf, welcher zur Versorgung mit elektrischer Energie an einen fahrzeug internen elektrischen (Hochvolt-)Energiespeicher gekoppelt ist. Derartige Energie speicher sind beispielsweise in Form von (Fahrzeug-)Batterien ausgeführt.

Unter einer elektrochemischen Batterie ist hierbei insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen, bei wel cher eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-) Lade vorgangs wiederherstellbar ist. Derartige Batterien sind insbesondere als elektro chemische Akkumulatoren, beispielsweise als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, aus geführt. Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebs spannung weisen solche Batterien typischerweise mehrere einzelne Batteriezellen auf, welche modular verschaltet sind.

Batterien der genannten Art weisen auf einer Batteriezellebene eine Kathode und eine Anode sowie einen Separator und einen Elektrolyten auf. Die Elektroden, al so die Anode sowie die Kathode, sind aus einem jeweiligen Elektroden -Aktiv- material hergestellt. Das Elektroden-Aktivmaterial ist hierbei Voraussetzung für eine leistungsstarke Batterie. Zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften sind die Elektroden-Aktivmaterialien häufig mit Leitpartikeln als Leitadditiv versetzt. Kohlenstoffbasierte Leitpartikel, beispielsweise ein Leitruß oder ein Leitgraphit, sind aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit ein wichtiger Bestandteil von Lithium- lonen-Batterien, welche den Elektrodenwiderstand, und somit den Innenwider stand der Batterie, reduzieren.

Nachteiligerweise ist für die Produktion von elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugen, insbesondere für die dafür verwendeten Batterien, ein hoher Energiebedarf notwendig. Daher ist es wünschenswert, den Energiebe darf und den Aufwand für die Herstellung der Batterien größtmöglich zu reduzie ren.

Zur Herstellung von Batterien sind Extrusionsverfahren möglich, bei welchen die Elektroden der Batteriezellen aus einer plastischen Masse hergestellt werden, welche aus einem Düsenelement gepresst wird. Durch die Integration eines konti nuierlichen Extrusionsprozesses in die Lithium-Ionen-Batteriezellfertigung ist es aufgrund der hohen Effizienz des Mischprozesses möglich, die Prozesszeit und den Energiebedarf bei der Herstellung von Batterien deutlich zu reduzieren. Die Elektroden der Batterie bzw. der Batteriezellen werden hierbei mittels extrudierten Elektrodenpasten hergestellt, wobei die Pastenqualität über spezifische Kriterien oder Produktkenngrößen bestimmt ist, beispielsweise über eine Partikelgröße der Leitpartikel. Die Elektrodenpasten werden anschließend beispielsweise auf einen jeweiligen Stromableiter, insbesondere auf eine Kupfer- oder Aluminiumfolie, auf- getragen.

Die Regelung und/oder Steuerung eines kontinuierlich betriebenen Extruders, also die Regelung und/oder Steuerung dessen Extrusions- oder Betriebsparameter, für die Herstellung von Elektrodenpasten für Lithium-Ionen-Batterien wird bisher ma- nuell und nach Probennahme und Analyse der Elektrodenpaste vorgenommen.

Mit anderen Worten werden Maschinenparameter, wie beispielsweise die Dreh zahl oder der Massen- oder Volumenstrom des Extruders, lediglich manuell gere gelt und/oder eingestellt. Dadurch liegt ein geringer Automatisierungsgrad vor, wodurch verschlechterte Reaktionszeiten und ein erhöhter Ausschuss gegeben ist, welcher die Prozessfähigkeit bei der Herstellung von Batterien nachteilig be einflusst. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Batterie anzugeben. Insbesondere soll ein möglichst effekti ver und automatisierter Extrusionsprozess ermöglicht werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Vorrichtung zur Durch führung des Verfahrens, sowie eine nach einem solchen Verfahren hergestellte Batterie anzugeben.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie hin sichtlich der Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß ge- löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Un teransprüche. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und Ausge staltungen sind sinngemäß auch auf den Extruder sowie die Batterie übertragbar und umgekehrt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Herstellung von Batterien, insbesondere zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batteriezellen, geeignet und ausgestaltet. Ver fahrensgemäß wird eine Suspension mit einem veränderbaren Produktparameter in einem Extrusionsprozess mittels eines Extruders als Elektrodenpaste extrudiert, also im Wesentlichen kontinuierlich hergestellt. Unter einer Elektrodenpaste ist hierbei das Extrudat, also das extrudierte Komposit der Suspension zu verstehen. Die Suspension ist im Wesentlichen eine Feststoffzusammensetzung aus einem Elektroden-Aktivmaterial und einem Binder (Bindemittel), wobei zusätzliche Leit additive beigesetzt sein können. In einem ersten Verfahrensschritt werden eine Anzahl von Extrusionsparametern als Betriebs- oder Maschinenenparameter des Extrusionsprozesses beziehungs weise des Extruders bestimmt. Anhand dieser Extrusionsparameter wird in einem darauffolgenden Verfahrensschritt ein extruderspezifisches Beanspruchungsmo dell berechnet.

Anschließend wird der Extrusionsprozess anhand des hinterlegten Beanspru chungsmodells gesteuert und/oder geregelt. Die Konjunktion„und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion ver knüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander aus gebildet sein können. Dies bedeutet, dass der Extruder beziehungsweise dessen Extrusionsparameter im Betrieb automatisch und vorzugsweise fortlaufend oder kontinuierlich mittels des berechneten Beanspruchungsmodells, insbesondere hinsichtlich des Produktparameters, gesteuert und/oder geregelt werden. Dadurch ist ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Batterie realisiert.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist im Wesentlichen eine Echtzeit- Anpassung der Extrusionsparameter, also der Fertigungsparameter, realisiert, wodurch Produktionsausschüsse reduziert werden. Insbesondere ist durch eine automatische Regelung und/oder Steuerung anhand des Beanspruchungsmodells eine konstante Produktqualität, auch bei veränderten Produktparametern, möglich, ohne dass ein manueller Eingriff eines Benutzers notwendig ist. Die Extrusionsparameter werden zum Beispiel als Analysedaten, beispielsweise in Form von Viskositätsdaten oder Verweilzeitdaten, erfasst, und durch das hinterleg te Beanspruchungsmodell so verarbeitet, dass eine eigenständige und automati sche Regelung und/oder Steuerung des Extruders möglich ist. Hierbei können die Extrusionsparameter beispielsweise zunächst von externen Sensoren, welche nicht Teil des Extruders sind (Offline-Analyse), und im Verlauf des Betriebs zu sätzlich oder alternativ von extruderintegrierten Sensoren (Inline-Analyse) zur Ver fügung gestellt werden, oder durch entsprechende Modelle vorhergesagt oder prognostiziert werden. In einer bevorzugten Weiterbildung wird als Produktparameter eine Dispergierung von Leitpartikel in der Suspension verwendet. Dies bedeutet, dass die Suspension mit Leitpartikeln als Leitadditiv versetzt wird, wobei das extruderspezifisches Be anspruchungsmodell für eine kontinuierliche und homogene Dispergierung, also einer möglichst gleichmäßigen Verteilung, der Leitpartikel in der Suspension be rechnet wird.

In einer vorteilhaften Ausführung wird zur Berechnung des Beanspruchungsmo- dells eine Produktkenngröße oder ein Qualitätsparameter der Leitpartikel, bei spielsweise eine Partikelgrößenverteilung der Leitpartikel, mit einer für eine Des agglomeration der Leitpartikel dieser Produktkenngröße notwendigen spezifischen Energie korreliert. Mit anderen Worten beruht das Beanspruchungsmodell auf ei ner Berechnung eines spezifischen Energiebeitrags, welcher für die Desagglome- ration (Aufschluss) der Leitpartikel benötigt wird. Dadurch ist eine besonders zu verlässige und effiziente Steuerung und/oder Regelung des Extruderbetriebs er möglicht, welche sich vorteilhaft auf die Herstellung der Batterie überträgt.

Zur Berechnung oder Bestimmung des Beanspruchungsmodells wird beispiels- weise die Produktkenngröße mittels einer Messung charakterisiert, und gegen die bei dem jeweiligen Extrusions- oder Prozessparametern auftretende, spezifische Energie aufgetragen. An diese Daten wird anschließend ein Modellverlauf ange passt oder (an-)gefittet. Durch diese Korrelation wird die Herstellung einer Elektro denpaste mit einer bestimmten Produktkenngröße ermöglicht, da die hierfür not- wendige spezifische Energie aus dem hinterlegten Modellverlauf bestimmbar ist, und somit die Extrusionsparameter anhand des Beanspruchungsmodells steuer bar und/oder regelbar sind.

Unter der spezifischen Energie ist insbesondere ein spezifischer mechanischer Energieeintrag zu verstehen. Die spezifische Energie ist als Extrusionsparameter ein Maß für die Beanspruchung des Produktes (der Elektrodenpaste) durch den Extrusionsprozess. Die spezifische Energie charakterisiert die extrudierte Elektro denpaste unabhängig von der Größe oder den Dimensionierungen des Extruders. Somit ist die Korrelation oder die Verknüpfung der spezifischen Energie mit der Produktkenngröße eine im Wesentlichen materialspezifische Konstante der Elekt rodenpaste. Dadurch ist es möglich, eine mit dem Verfahren betriebene Herstel lungsanlage oder Vorrichtung beziehungsweise den Extruder in einfacher Weise zu skalieren (Scale-Up), wodurch die Produktion der Batterie vereinfacht wird. In einer geeigneten Ausgestaltung wird als Produktkenngröße insbesondere eine Partikelgröße der Leitpartikel verwendet. Die Leitpartikel als Leitadditiv sollen möglichst homogen oder gleichmäßig in der Suspension verteilt werden, um eine verbesserte elektrische Leistungsfähigkeit der Batterie zu gewährleisten. Aufgrund der optischen Eigenschaften und der prozessbedingten Änderungen der

Partikelgröße ist diese eine besonders geeignete Produktkenngröße zur Berech nung des Beanspruchungsmodells. Während eines Dispergierens werden die größtenteils als Agglomerate vorliegenden Leitpartikel beansprucht und desagg- lomeriert. Aus dieser vornehmlich durch Scherung verursachten Beanspruchung resultieren Veränderungen in der Agglomerat- bzw. Aggregatgröße der Leitparti kel, also strukturelle Veränderungen in der Suspension, welche mit einer geeigne ten Analyse- oder Messmethode in einfacher Weise detektiert und somit als Pro duktkenngröße oder Beurteilungskriterium genutzt werden können.

Die spezifische Energie ist abhängig von einer Drehzahl und einem (Volumen oder Massen-)Durchsatz des Extruders, und ist beispielsweise mittels einer Dreh momentmessung an einer Extruderwelle des Extruders bestimmbar. Mit steigen der Drehzahl und/oder sinkendem Durchsatz steigt die spezifische Energie. Bei der Herstellung von Elektrodenpasten tritt hierbei das Problem auf, dass die auf tretenden Drehmomente nah an einer Leerlaufleistung des Extruders sind, wo durch vergleichsweise große Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der spezifi schen Energie auftreten. Verfahrensgemäß ist daher in einer bevorzugten Ausge staltung vorgesehen, dass die spezifische Energie in Abhängigkeit einer Schub spannung und eines Füllgrades sowie einer Suspensionsdichte bestimmt wird. Dadurch ist eine zuverlässige und genaue Bestimmung der spezifischen Energie ermöglicht.

Die Schubspannung und der Füllgrad sowie die Suspensionsdichte sind hierbei Extrusionsparameter des Extruders beziehungsweise des Extrusionsprozesses. Die Schubspannung ist insbesondere ein Maß für die (Scher-)Beanspruchung des Extrusionsprozesses. Der Füllgrad ist insbesondere ein Maß für die Befüllung des Extruders, also ein Maß für das sich im Extruder befindliche Volumen der Suspen- sion und der Leitpartikel. Die Suspensionsdichte ist insbesondere die Dichte der Suspension mit den darin dispergierten Leitpartikeln.

Die Schubspannung wird beispielsweise indirekt anhand von rheologischen Ver- fahren bestimmt. In einer geeigneten Ausbildung wird die Schubspannung vor zugsweise anhand eines Scherratentests bestimmt, um die Schubbeanspruchung der Suspension im Extruder zu erfassen. Dadurch ist eine zuverlässige Bestim mung oder Erfassung der Schubspannung ermöglicht. In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird die Schubspannung bei einer aus reichend großen Datenmenge bevorzugterweise anhand eines rheologischen Mo dells bestimmt. Dadurch ist die Bestimmung der Schubspannung ohne Vorliegen von physikalischen Messdaten möglich. Mit anderen Worten wird die Schubspan nung zu Beginn des Verfahrens insbesondere anhand von Scherratentests er- fasst, und im Verlauf des Verfahrens anhand der erfassten Daten ein Modellver lauf bestimmt, mittels welchem die Schubspannung anschließend vorzugsweise messfrei bestimmt wird.

Für die Desagglomeration der Leitpartikel in der Suspension ist die Beanspru- chung durch Scherung und deren Höhe im Extruder relevant. Geeigneterweise sind die Volumina, welche hohe Scherbeanspruchung erfahren, verhältnismäßig groß im Extruder dimensioniert.

Die Scherrate wird beispielsweise mittels der geometrischer Eigenschaften des Extruders, also mittels der geometrischen Abmessungen und Dimensionierungen der Extruderelemente (Förderelemente, Knetelemente), bestimmt. Im Falle eines Doppelwellen- oder Doppelschneckenextruders sind die zur Bestimmung der Scherrate relevanten geometrischen Eigenschaften beispielsweise ein Durchmes ser der Gehäusebohrungen, ein Abstand der Wellenmittelpunkte, ein Außen- durchmesser der Förderelemente, ein Innendurchmesser der Förderelemente, ein Außendurchmesser der Knetelemente, und ein Innendurchmesser der Knetele mente. Aus diesen geometrischen Eigenschaften bestimmt sich das Spiel zwi schen Förderelement und Wandung und das Spiel zwischen Knetelement und Wandung, also die Bereiche zwischen der Gehäusewandung und dem Schne ckenkamm, sowie das Zwickelspiel, also der Zwickel-Bereich zwischen den beiden Extruderschnecken. In diesen Bereichen treten aufgrund der geometrischen Ab messungen besonders hohe Scherraten auf. Die auftretenden Scherraten sind anhand der Spiel-Abmessungen für eine jeweilige Extruderdrehzahl, beispielswei se mittels eines Zwei-Platten-Modells, berechenbar.

Um die Schubspannungen, welche innerhalb des Extruders bei bestimmten Dreh zahlen bzw. Scherraten auf die jeweilige Suspension wirken, abschätzen zu kön- nen, wird ein Scherratentest durchgeführt, bei welchem sogenannte Fließkurven mittels Rotationsversuchen mit der jeweiligen Elektrodenpaste ermittelt wird. Hier bei wird eine Probe der Elektrodenpaste nach der Dispergierung in einem Rotati onsviskosimeter zwischen zwei Flächen mit genau definiertem Abstand geschert. Durch diesen Messaufbau können gezielt unterschiedliche Scherraten erzeugt und die resultierenden Schubspannungen bei einer bestimmten Scherrate bestimmt werden, wobei insbesondere die Scherraten im Bereich des Zwickelspiels und in den Bereichen zwischen der Gehäusewandung und dem Schneckenkamm unter sucht werden. Der oder jeder Scherratentest liefert für jede extrudierte Elektrodenpaste eine Fließkurve, welche in einem Scherrate-Schubspannung-Diagramm auftragbar ist. An die gemessenen (elektrodenpastenspezifischen) Fließkurven wird anschlie ßend jeweils ein entsprechender Kurvenverlauf angepasst oder (an-)gefittet. Der Kurvenverlauf ist hierbei insbesondere mittels einer sogenannten Herschel- Bulkley-Kurve anpassbar oder fitbar. Der angepasste oder gefittete Kurvenverlauf ermöglicht anschließend eine einfache Berechnung oder Bestimmung der Schub spannung bei unterschiedlichen Scherraten. Zweckmäßigerweise wird der Kur venverlauf, beziehungsweise die Funktionsparameter der Fitfunktion, hierbei für spätere Berechnungen oder lnter-/Extrapolation der Schubspannung und/oder der spezifischen Energie, auch für Suspensionen mit unbekannten rheologischen Ei genschaften, hinterlegt. Somit ist es möglich, dass für Suspensionen mit unbe kannten rheologischen Eigenschaften, wie beispielsweise ein abweichender Fest stoffgehalt bei zueinander gleichbleibenden Anteilen an Feststoffen, Fließkurven in Abhängigkeit des Feststoffgehalts ermittelbar sind, da die Fit- oder Funktionspa rameter der angepassten Herschel-Bulkley-Kurve eine lineare Abhängigkeit in ei nem weiten Feststoffgehalt-Bereich aufweisen. In einer möglichen Weiterbildung wird der Füllgrad mittels einer mittleren Verweil zeit und eines Volumenstroms als Extrusionsparameter bestimmt. Die Verweilzeit ist ein Maß für die Beanspruchungshäufigkeit, also die Zahl der Beanspruchun gen, welche auf die Suspension und die Leitpartikel oder Agglomerate im Zuge des Extrusionsprozesses einwirken. Dadurch ist eine zuverlässige Bestimmung des Füllgrads realisiert.

Der Füllgrad ist daher auch ein Maß für ein Verweilzeitverhalten des Extrusions prozesses, welches sowohl beim Aufschmelzen als auch beim Dispergieren einen großen Einfluss auf die Produktqualität der Elektrodenpaste hat. Bei der Verwen- düng eines gleichläufigen Doppelschneckenextruders liegt eine Verweilzeitvertei lung vor. Während für das dispersive Mischen die minimale Verweilzeit von Be deutung ist, ist die Verweilzeitverteilung vor allem für das distributive Mischen von Bedeutung. Die Verweilzeit weist insbesondere eine Abhängigkeit von den Pro zess- oder Extrusionsparametern Durchsatz (Volumenstrom) und (Extruder- )Drehzahl sowie einer Schneckenkonfiguration auf. Die Schneckenkonfiguration bewirkt je nach Konfiguration eine enge (reine Förderschnecke) oder eine breite (Schnecke mit vielen Zahn-Misch-/ Knetelementen oder rückfördernden Elemen ten) Verteilungsbreite. Die Schneckenkonfiguration ist eine feste, bekannte Größe des Extruders, so dass durch Messung oder Erfassung der Drehzahl sowie des geförderten Volumenstroms in einfacher Art und Weise ein gemittelter Füllgrad bestimmbar ist.

In einer bevorzugten Ausführung wird als Extruder ein Doppelwellen- oder Dop pelschneckenextruder verwendet. Dadurch wird ein besonders geeigneter Extru der für die Herstellung von Batterien eingesetzt. Der Doppelschneckenextruder weist hierbei vorzugsweise einen gleichläufigen und dichtkämmenden Aufbau mit einer hohen Misch- und Dispergierwirkung auf. In einer geeigneten Ausgestaltung wird als Leitpartikel ein Leitruß (engl. Carbon Black CB) verwendet. Dadurch wird ein besonders geeignetes Leitadditiv für die Batterie, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Batterie, verwendet.

In einer bevorzugten Anwendung wird das Verfahren zum Betrieb einer Vorrich- tung zur Herstellung von Batterien eingesetzt. Die Vorrichtung weist einen Extru der, insbesondere einen Doppelwellen- oder Doppelschneckenextruder, zur Extrudierung von Elektrodenpasten auf, welcher mit einem Controller, also einem Steuergerät, gekoppelt ist. Der Controller ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, den Extrusions prozess zu überwachen, insbesondere die Extrusionsparameter zu bestimmen, und anhand eines hinterlegten Beanspruchungsmodells den Extrusionsprozess zu steuern und/oder zu regeln.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebil det, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah- rens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Vorrichtungs nutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird. Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, wie zum Beispiel einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.

Bei der Herstellung einer Batterie wird mittels des Extruders eine Elektrodenpaste extrudiert. Die Elektrodenpaste wird hierbei aus der Suspension (Elektroden- Aktivmaterial und Binder) sowie den beigesetzen Leitpartikeln mittels des

Extrusionsprozesses erzeugt. Verfahrensgemäß wird beispielsweise zunächst die Schneckenkonfiguration des Extruders bestimmt und in einem Speicher des Con- trollers hinterlegt. Anschließend wird beispielsweise ein minimaler Durchschnitts wert der Partikelgröße der Leitpartikel bei einem maximalen, beschichtungsfähi gen Feststoffgehalt, einer maximalen Drehzahl sowie einem minimalen Volumen strom als Extrusionsparameter bestimmt. Nachfolgend wird dieser Analyse- oder Extrusionsparameter für Supensionen mit reduziertem Feststoffgehalt, bei redu- zierter(Extruder-)Drehzahl sowie einem erhöhtem Volumenstrom mehrmals be stimmt, wobei jeweils die mittlere Verweilzeit im Extruder bestimmt wird. Anhand dieser Extrusionsparameter werden die Schubspannung und der Füllgrad be stimmt, und dem hinterlegten Beanspruchungsmodell zugeführt. Der Controller steuert und/oder regelt den Extrusionsprozess anhand des Beanspruchungsmo dells im Hinblick auf eine gewünschte Partikelgröße der Leitpartikel in der Elektro denpaste durch Einstellung einer dafür benötigten spezifischen Energie.

Somit kann der Controller auf Basis weniger Messungen oder Versuche zuverläs- sig ein Beanspruchungsmodell für einen sicheren und effektiven Betrieb der Vor richtung bestimmen.

Die erfindungsgemäße Batterie ist mittels des vorstehend beschriebenen Verfah rens hergestellt. Die Batterie ist hierbei für ein Kraftfahrzeug geeignet und einge- richtet. Die Batterie ist beispielsweise als eine Lithium-Ionen-Batterie mit mehreren verschalteten Batteriezellen ausgeführt.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 in schematischer und vereinfachter Darstellung eine Vorrichtung zur Her stellung von Batterien, mit einem Extruder und mit einem Controller,

Fig. 2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung von Batterien,

Fig. 3 ein Schubspannungs-Scherraten-Diagramm mit fünf Fließkurven für un- terschiedliche Feststoffgehalte,

Fig. 4 ein Volumenstrom-Verweilzeit-Diagramm für unterschiedliche Extruder drehzahlen, und Fig. 5 ein spezifische Energie-Partikelgröße-Diagramm für unterschiedliche Elektrodenpasten und Volumenströme.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den glei- chen Bezugszeichen versehen.

In der Fig. 1 ist eine Vorrichtung 2 zur Fierstellung einer Batterie, insbesondere zur Herstellung einer Elektrodenpaste 4 für eine Batteriezelle der Batterie, gezeigt. Die Vorrichtung 2 weist einen Extruder 6 in Form eines Doppelwellen- oder Doppel- Schneckenextruders auf. Der Extruder 6 weist lediglich ausschnittsweise darge stellte Extruderelemente 8 als Förder- und/oder Knetelemente auf, welche gleich läufig angetrieben und dichtkämmenden miteinander ausgeführt sind. Der Extru der 6 ist mit einem Controller 10 gekoppelt. Zur Herstellung der Batterie wird mittels des Extruders 6 die Elektrodenpaste 4 als Extrudat extrudiert. Die Elektrodenpaste 4 wird hierbei aus einer Suspension 12 (Elektroden-Aktivmaterial und Binder) sowie beigesetzen Leitpartikeln 14 als Leit additiv mittels des Extrusionsprozesses erzeugt. Der Controller 10 ist dazu geeignet und eingerichtet, den Extrusionsprozess zu überwachen, insbesondere Extrusionsparameter zu bestimmen, und anhand eines hinterlegten Beanspruchungsmodells 16 den Extrusionsprozess bzw. den Extru der 6 zu steuern und/oder zu regeln. Der Controller 10 ist insbesondere dazu ge eignet und eingerichtet den Extruder 6 hinsichtlich einer Produktkenngröße der Leitpartikel 14 in der Elektrodenpaste 4 zu steuern und/oder zu regeln. Der Extru der 6 wird also derart gesteuert und/oder geregelt, dass die gewünschte Produkt kenngröße der Leitpartikel 14 in der extrudierten Elektrodenpaste 4 realisiert ist. Die gewünschte Produktkenngröße wird hierbei insbesondere mittels Einstellung einer jeweils notwendigen spezifischen Energie des Extruders realisiert.

Hierzu wird im Zuge des Beanspruchungsmodells 16 die Produktkenngröße mit der für eine Desagglomeration der Leitpartikel dieser Produktkenngröße notwen digen spezifischen Energie korreliert. Nachfolgend ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Batterie anhand der Figuren 2 bis 5 näher erläutert. Das Verfahren ist hierbei beispielhaft für als Leitruß ausgeführte Leitpartikel 14 beschrieben, wobei die gewünschte Produktkenngröße insbesondere eine Partikelgröße d der Leitpartikel ist.

In einem ersten Verfahrensschritt 18 werden eine Schneckenkonfiguration SK so wie die geometrischen Eigenschaften g_E des Extruders 6, also die geometrischen Abmessungen und Dimensionierungen der Extruderelemente 8, insbesondere das Spiel zwischen den Extruderelmenten 8 und der Innenwandung des Extruders 8 sowie das Zwickelspiel zwischen den kämmenden Extruderelementen 8, be stimmt, und in einem Speicher des Controllers 10 hinterlegt.

In einem Verfahrensschritt 20 wird ein minimaler Durchschnittswert der

Partikelgröße d_M der Leitpartikel bei einem maximalen, beschichtungsfähigen Feststoffgehalt c_m, einer maximale (Extruder-)Drehzahl n sowie einem minimaler Volumenstrom V als Extrusionsparameter bestimmt. Nachfolgend wird die Pro duktkenngröße d für reduzierte Feststoffgehalte c_m, reduzierter Drehzahl n sowie erhöhtem Volumenstrom V bestimmt, wobei zudem jeweils die mittlere Verweilzeit t sowie die Suspensionsdichte p im Extruder 6 bestimmt wird.

In einem Verfahrensschritt 22 werden anhand dieser Extrusionsparameter oder Analysedate eine Schubspannung t sowie ein Füllgrad f bestimmt. Die Schubspannung T, welche innerhalb des Extruders 6 bei bestimmten Drehzah len n bzw. Scherraten g auf die jeweilige Suspension 12 wirken, werden mittels eines Scherratentests bestimmt, bei welchem sogenannte Fließkurven mittels Ro tationsversuchen mit der jeweiligen Elektrodenpaste 4 ermittelt werden. Der oder jeder Scherratentest liefert für jede extrudierte Elektrodenpaste 4 eine Fließkurve, welche beispielhaft in einem in Fig. 3 gezeigten Scherrate-Schub- spannung-Diagramm auftragbar sind. In der Fig. 3 ist die Scherrate g entlang der Abszissenachse (X-Achse) und die Schubspannung t entlang der Ordinatenachse (Y-Achse) doppellogarithmisch dargestellt, die Scherrate g ist hierbei in Einheiten von s ¹ (Sekunde ¹) und die Schubspannung t in Einheiten von Pa (Pascal) aufge- tragen. In der Fig. 3 sind beispielhaft fünf Fließkurven 24a, 24b, 24c, 24d und 24e gezeigt. Die Fließkurven 24a, 24b, 24c, 24d und 24e wurden hierbei für eine Suspensi on 12 bei gleicher Drehzahl n, gleicher Schneckenkonfiguration SK, und gleichen Volumenstrom V gemessen, und unterscheiden sich lediglich in ihrem jeweiligen Feststoffgehalt c_m, wobei die Fließkurve 24a den größten und die Fließkurve 24e den geringsten Feststoffgehalt c_m aufweist. An die gemessenen (elektroden pastenspezifischen) Fließkurven 24a, 24b, 24c, 24d und 24e ist jeweils ein ent sprechender Kurvenverlauf angepasst oder (an-)gefittet. Der Kurvenverlauf ist hierbei insbesondere eine sogenannte Herschel-Bulkley-Kurve. Die Fig. 4 zeigt ein Volumenstrom-Verweilzeit-Diagramm, bei welchem der Volu menstrom V entlang der Abszissenachse und die mittlere Verweilzeit t entlang der Ordinatenachse aufgetragen ist. Der Volumenstrom V ist hierbei in der Einheit von l/h (Liter pro Stunde) und die mittlere Verweilzeit t in der Einheit s (Sekunden) auf getragen. In dem Diagramm der Fig. 4 sind drei parabolische Kurvenverläufe 26a, 26b und 26c für unterschiedliche Drehzahlen n gezeigt.

Die Kurven 24a, 24b, 24c, 24d, 26a, 26b und 26c werden in einem Speicher des Controllers 10 hinterlegt. Der Füllgrad f des Extruders 6 wird hierbei anhand des freien Extrudervolumens V_frei, welches aus den geometrischen Eigenschaften g_E bestimmbar ist, sowie der einer jeweiligen mittleren Verweildauer t bei einem gegebenen Volumenstrom V anhand der nachfolgenden Formel berechnet:

Anhand der im Verfahrensschritt 20 bestimmten Extrusionsparameter und den hinterlegten Kurven 24a, 24b, 24c, 24d, 26a, 26b und 26c sind somit in einfacher Art und Weise die Schubspannung t und der Füllgrad f für die jeweils vorherr schenden Extrusionsparameter bestimmbar.

In einem Verfahrensschritt 28 wird anhand des Füllgrades f des Extruders 6 und anhand der Schubspannung t innerhalb des Extruders 6 bei einer vorherrschen den Scherrate g sowie anhand der Dichte der jeweiligen Elektrodenpaste p eine spezifische Energie E_{m P} berechnet. Die spezifische Energie E_{m P} ergibt sich hier bei gemäß

In einem Verfahrensschritt 30 wird das Beanspruchungsmodell 16 berechnet. Hierzu wird die spezifische Energie E_m,p mit der Partikelgröße d_M der Leitpartikel 14 korreliert. Eine derartige Korrelation ist beispielsweise in Fig. 5 anhand eines spezifische Energie-Partikelgröße-Diagramm gezeigt. Die berechnete spezifische Energie E_{m P} ist in Einheiten von J/kg (Joule pro Kilogramm) entlang der Abszis senachse, und die Partikelgröße d_M ist in Einheiten von pm (Mikrometer) entlang der Ordinatenachse doppellogarithmisch aufgetragen. In der Fig. 5 ist die Abhängigkeit der resultierenden Partikelgröße d_M in der Elekt rodenpaste 4 für zwei unterschiedliche Suspensionen 14 und jeweils zwei unter schiedliche Volumenströme V gezeigt. Die vollgefüllten Quadrate zeigen eine Suspension 12 mit einem Kathoden-Aktivmaterial für einen Volumenstrom V von 1 l/h. Die vollgefüllten Kreise zeigen eine Suspension 12 mit dem Kathoden- Aktivmaterial für einen Volumenstrom V von 2,5 l/h. Die halbgefüllten Quadrate zeigen eine Suspension 12 mit einem Anoden-Aktivmaterial für einen Volumen strom V von 1 l/h. Die vollgefüllten Kreise zeigen eine Suspension 12 mit dem Anoden-Aktivmaterial für einen Volumenstrom V von 2,5 l/h. In der Fig. 5 sind die Verläufe der Kathoden-Suspension mit jeweils einer Modell kurve 32a, 32b gefitted, wobei die Modellkurve 32a den Verlauf für den hohen Vo lumenstrom V beschreibt. Im Verfahrensschritt 30 werden die Modellkurven 32a, 32b bestimmt und in einem Speicher des Controllers 10 hinterlegt. Der Controller 10 steuert und/oder regelt den Extrusionsprozess anhand des Beanspruchungsmodells 16 bzw. der Modell kurven 32a, 32b im Hinblick auf eine gewünschte Partikelgröße d_M der Leitparti- kel 14 in der Elektrodenpaste 4 durch Einstellung einer dafür benötigten spezifi schen Energie E_m,p.

Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausfüh rungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbe sondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel be schriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf an dere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

2 Vorrichtung

4 Elektrodenpaste

6 Extruder

8 Extruderelemente

10 Controller

12 Suspension

14 Leitpartikel

16 Beanspruchungsmodell

18, 20, 22 Verfahrensschritt

24a, 24b, 24c, 24d, 24e Fließkurve

26a, 26b, 26c Kurvenverlauf

28, 30 Verfahrensschritt 32a, 32b Modellkurve d_M Produktkenngröße

SK Schneckenkonfiguration

g_E geometrische Eigenschaft

c_m Feststoffgehalt

n Drehzahl

V Volumenstrom

t Verweilzeit

p Suspensionsdichte

T Schubspannung

f Füllgrad

Y Scherrate

E_m,p spezifische Energie

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Batterien,

- bei welchem eine Suspension (12) mit einem veränderbaren Produktpa- rameter (14) in einem Extrusionsprozess mittels eines Extruders (6) als

Elektrodenpaste (4) extrudiert wird,

- bei welchem eine Anzahl von Extrusionsparametern (SK, g_E, c_m, n, V, t, p, T, Y, f) des Extrusionsprozesses bestimmt werden,

- bei welchem anhand der Extrusionsparameter (SK, g_E, c_m, n, V, t, p, t, g, f) ein extruderspezifisches Beanspruchungsmodell (16) berechnet wird, und

- bei welchem der Extrusionsprozess anhand des Beanspruchungsmodells (16) gesteuert und/oder geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass als Produktparameter (14) eine Dispergierung von Leitpartikeln in der Suspension (12) verwendet wird , wobei das Beanspruchungsmodell (16) für eine kontinuierliche Dispergierung der Leitpartikel in der Suspension (12) be rechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass zur Berechnung des Beanspruchungsmodells (16) eine Produktkenn größe (d_M) der Leitpartikel (14) mit einer für eine Desagglomeration der Leit- partikel (14) mit dieser Produktkenngröße (d_M) notwendigen spezifischen

Energie (E_m,p) korreliert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass eine Partikelgröße der Leitpartikel (14) als Produktkenngröße (d_M) ver wendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet,

dass die spezifische Energie (E_m,p) in Abhängigkeit einer Schubspannung (T) und eines Füllgrades (f) sowie einer Suspensionsdichte (p) als Extrusions parameter bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Schubspannung (T) mittels eines Scherratentests, insbesondere an hand einer gemessenen Fließkurve (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) sowie anhand geometrischer Eigenschaften (g_E) des Extruders (6) als Extrusionsparameter, bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Füllgrad (f) mittels einer mittleren Verweilzeit (t) und eines Volu menstroms (V) als Extrusionsparameter bestimmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass als Extruder (6) ein Doppelwellenextruder verwendet wird.

9. Vorrichtung (2) zur Fierstellung von Batterien, mit einem Extruder (6) und mit einem Controller (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An sprüche 1 bis 8.

10. Batterie für ein Kraftfahrzeug, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.