EP3942624A1 - Method for producing a battery - Google Patents

Method for producing a battery

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EP3942624A1
EP3942624A1 EP20705902.3A EP20705902A EP3942624A1 EP 3942624 A1 EP3942624 A1 EP 3942624A1 EP 20705902 A EP20705902 A EP 20705902A EP 3942624 A1 EP3942624 A1 EP 3942624A1
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EP
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extruder
extrusion
conductive particles
suspension
determined
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EP20705902.3A
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Henning Dreger
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Original Assignee
Volkswagen AG
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Abstract

The invention relates to a method for producing batteries in which a suspension (12) with a variable product parameter (14) is extruded in an extrusion process by means of an extruder (6) as an electrode paste (4), in which method a number of extrusion parameters (SK, GE, cm, n, V, t, p, T, γ, f) of the extrusion process is determined, an extruder-specific stress model (16) is calculated on the basis of the extrusion parameters (SK, gE, cm, n, V, t, p, τ, γ, f), and the extrusion process is controlled and/or regulated on the basis of the stress model (16).

Description

Beschreibung description
Verfahren zur Herstellung einer Batterie Method of manufacturing a battery
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. The invention relates to a method for producing a battery, in which a suspension is extruded denpaste in an extrusion process by means of an extruder as an electrode. The invention further relates to an apparatus for performing the method and a battery produced by the method.
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. Electrically drivable or powered motor vehicles, such as electric or hybrid vehicles, typically have an electric motor as the drive machine, which is coupled to a vehicle-internal electrical (high-voltage) energy store for supplying electrical energy. Such energy storage devices are designed, for example, in the form of (vehicle) batteries.
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. An electrochemical battery here is to be understood in particular as a so-called secondary battery (secondary battery) of the motor vehicle, in which a used chemical energy can be restored by means of an electrical (charging) process. Such batteries are carried out in particular as electrochemical accumulators, for example as lithium-ion accumulators. To generate or provide a sufficiently high operating voltage, such batteries typically have several individual battery cells, which are connected in a modular manner.
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. Batteries of the type mentioned have a cathode and an anode as well as a separator and an electrolyte on a battery cell level. The electrodes, i.e. the anode and the cathode, are made from a respective electrode -active material. The electrode active material is a prerequisite for this a powerful battery. To improve the electrical properties, the electrode active materials are often mixed with conductive particles as a conductive additive. Due to their high conductivity, carbon-based conductive particles, for example conductive soot or conductive graphite, are an important component of lithium-ion batteries, which reduce the electrode resistance, and thus the internal resistance of the battery.
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. Disadvantageously, the production of electrically powered or drivable motor vehicles, in particular for the batteries used for this, requires a high level of energy. It is therefore desirable to reduce the energy consumption and the cost of producing the batteries as much as possible.
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. For the production of batteries, extrusion processes are possible in which the electrodes of the battery cells are produced from a plastic mass which is pressed from a nozzle element. By integrating a continuous extrusion process into the lithium-ion battery cell production, the high efficiency of the mixing process makes it possible to significantly reduce the process time and the energy required in the production of batteries. The electrodes of the battery or the battery cells are produced here by means of extruded electrode pastes, the paste quality being determined by specific criteria or product parameters, for example by a particle size of the conductive particles. The electrode pastes are then applied, for example, to a respective current conductor, in particular to a copper or aluminum foil.
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.The regulation and / or control of a continuously operated extruder, that is, the regulation and / or control of its extrusion or operating parameters, for the production of electrode pastes for lithium-ion batteries has so far been carried out manually and after sampling and analysis of the electrode paste.
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. In other words, machine parameters such as the speed or the mass or volume flow of the extruder are only regulated and / or set manually. This results in a low degree of automation, as a result, there is worsened response times and increased scrap, which has a negative impact on the process capability in the manufacture of batteries. The invention is based on the object of specifying a particularly suitable method for producing a battery. In particular, the most effective and automated extrusion process possible should be made possible. The invention is also based on the object of specifying a particularly suitable device for implementing the method, as well as a battery produced according to such a method.
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. With regard to the method, the object is achieved according to the invention with the features of claim 1 and with regard to the device with the features of claim 9 and with regard to the battery with the features of claim 10. Advantageous refinements and developments are the subject of the sub-claims. The advantages and features mentioned with regard to the process can also be applied to the extruder and the battery, and vice versa. The method according to the invention is suitable and designed for the production of batteries, in particular for the production of lithium-ion battery cells. According to the method, a suspension with a variable product parameter is extruded as an electrode paste in an extrusion process by means of an extruder, that is to say is produced essentially continuously. An electrode paste is to be understood here as the extrudate, that is to say the extruded composite of the suspension. The suspension is essentially a solid composition consisting of an electrode active material and a binder (binding agent), it being possible for additional conductive additives to be added. In a first process step, a number of extrusion parameters are determined as operating or machine parameters of the extrusion process or of the extruder. These extrusion parameters are used in a In the following process step, an extruder-specific load model is calculated.
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. The extrusion process is then controlled and / or regulated on the basis of the stored stress model. The conjunction “and / or” is to be understood here and below in such a way that the features linked by means of this conjunction can be formed both together and as alternatives to one another. This means that the extruder or its extrusion parameters are automatically and preferably continuously or continuously controlled and / or regulated during operation by means of the calculated stress model, in particular with regard to the product parameter. This realizes a particularly suitable method for producing a battery.
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. The method according to the invention essentially realizes a real-time adaptation of the extrusion parameters, that is to say of the production parameters, whereby production rejects are reduced. In particular, through automatic regulation and / or control based on the stress model, constant product quality is possible, even with changed product parameters, without manual intervention by a user being necessary. The extrusion parameters are recorded, for example, as analysis data, for example in the form of viscosity data or dwell time data, and processed by the stored stress model in such a way that independent and automatic regulation and / or control of the extruder is possible. The extrusion parameters can, for example, initially be provided by external sensors that are not part of the extruder (offline analysis) and, in the course of operation, additionally or alternatively by extruder-integrated sensors (inline analysis), or predicted using appropriate models or be forecast. In a preferred development, a dispersion of conductive particles in the suspension is used as the product parameter. This means that conductive particles are added to the suspension as a conductive additive, with the extruder-specific load model for continuous and homogeneous dispersion, i.e. the most uniform possible distribution, the conductive particles in the suspension will be calculated.
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. In an advantageous embodiment, in order to calculate the stress model, a product parameter or a quality parameter of the conductive particles, for example a particle size distribution of the conductive particles, is correlated with a specific energy required for a deagglomeration of the conductive particles of this product parameter. In other words, the stress model is based on a calculation of a specific energy contribution which is required for the deagglomeration (digestion) of the conductive particles. This enables particularly reliable and efficient control and / or regulation of the extruder operation, which is advantageously transferred to the manufacture of the battery.
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. To calculate or determine the stress model, for example, the product parameter is characterized by means of a measurement and plotted against the specific energy occurring with the respective extrusion or process parameters. A model curve is then adapted or (adapted) fitted to this data. This correlation enables the production of an electrode paste with a specific product parameter, since the specific energy required for this can be determined from the stored model curve, and the extrusion parameters can thus be controlled and / or regulated using the stress model.
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 The specific energy is to be understood in particular as a specific mechanical energy input. As an extrusion parameter, the specific energy is a measure of the stress on the product (the electrode paste) from the extrusion process. The specific energy characterizes the extruded electrode paste regardless of the size or dimensions of the extruder. Thus, the correlation or the link between the specific energy and the product parameter is an essentially material-specific constant of the electrode paste. This makes it possible to easily scale (scale-up) a manufacturing plant or device operated with the method, as a result of which the production of the battery is simplified. In a suitable embodiment, in particular a particle size of the conducting particles is used as the product parameter. The conductive particles as conductive additive should be distributed as homogeneously or evenly as possible in the suspension in order to ensure improved electrical performance of the battery. Due to the optical properties and the process-related changes in the
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. Particle size is a particularly suitable product parameter for calculating the stress model. During dispersing, the conductive particles, which are largely present as agglomerates, are stressed and disagglomerated. This stress, which is primarily caused by shear, results in changes in the agglomerate or aggregate size of the lead particles, i.e. structural changes in the suspension, which can be easily detected with a suitable analysis or measurement method and thus used as a product parameter or assessment criterion .
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. The specific energy is dependent on a speed and a (volume or mass) throughput of the extruder, and can be determined, for example, by measuring the torque on an extruder shaft of the extruder. With increasing speed and / or decreasing throughput, the specific energy increases. In the manufacture of electrode pastes, the problem arises that the torques that occur are close to an no-load output of the extruder, where comparatively large inaccuracies in the determination of the specific energy occur. According to the method, it is therefore provided in a preferred embodiment that the specific energy is determined as a function of a shear stress and a degree of filling and a suspension density. This enables a reliable and precise determination of the specific energy.
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. The shear stress and the degree of filling as well as the suspension density are extrusion parameters of the extruder or the extrusion process. The shear stress is in particular a measure of the (shear) stress of the extrusion process. The degree of filling is in particular a measure of the filling of the extruder, i.e. a measure of the volume of the suspension in the extruder sion and the conductive particle. The suspension density is in particular the density of the suspension with the conductive particles dispersed therein.
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. The shear stress is determined indirectly using rheological methods, for example. In a suitable embodiment, the shear stress is preferably determined using a shear rate test in order to determine the shear stress on the suspension in the extruder. This enables a reliable determination or detection of the shear stress. In an advantageous embodiment, the shear stress is preferably determined on the basis of a rheological model in the case of a sufficiently large amount of data. This enables the shear stress to be determined without the availability of physical measurement data. In other words, the shear stress is recorded at the beginning of the method, in particular using shear rate tests, and a model curve is determined in the course of the method on the basis of the recorded data, by means of which the shear stress is then preferably determined without measurement.
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. For the deagglomeration of the conductive particles in the suspension, the stress caused by shear and its height in the extruder are relevant. The volumes which experience high shear stress are suitably dimensioned to be relatively large in the extruder.
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. The shear rate is determined, for example, by means of the geometric properties of the extruder, that is to say by means of the geometric dimensions and dimensions of the extruder elements (conveying elements, kneading elements). In the case of a twin-screw or twin-screw extruder, the geometrical properties relevant for determining the shear rate are, for example, a diameter of the housing bores, a distance between the shaft centers, an outer diameter of the conveyor elements, an inner diameter of the conveyor elements, an outer diameter of the kneading elements, and an inner diameter of the kneading elements ments. The play between conveying element and wall and the play between kneading element and are determined from these geometric properties Wall, that is the areas between the housing wall and the screw crest, and the gusset clearance, ie the gusset area between the two extruder screws. In these areas, due to the geometric dimensions, particularly high shear rates occur. The shear rates that occur can be calculated using the clearance dimensions for a given extruder speed, for example using a two-plate model.
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. In order to be able to estimate the shear stresses that act within the extruder at certain speeds or shear rates on the respective suspension, a shear rate test is carried out in which so-called flow curves are determined by means of rotation tests with the respective electrode paste. Here at a sample of the electrode paste after dispersion in a rotary viscometer between two surfaces is sheared at a precisely defined distance. With this measurement setup, different shear rates can be generated in a targeted manner and the resulting shear stresses can be determined at a certain shear rate, with the shear rates being examined in particular in the area of the gusset clearance and in the areas between the housing wall and the screw crest. The or each shear rate test provides a flow curve for each extruded electrode paste, which can be plotted in a shear rate-shear stress diagram. A corresponding curve profile is then adapted or (fitted) fitted to the measured (electrode paste-specific) flow curves. The course of the curve can be adapted or adapted in particular by means of a so-called Herschel-Bulkley curve. The adapted or fitted curve shape then enables a simple calculation or determination of the shear stress at different shear rates. The course of the curve or the functional parameters of the fit function are expediently stored for later calculations or inter- / extrapolation of the shear stress and / or the specific energy, also for suspensions with unknown rheological properties. Thus it is possible that for suspensions with unknown rheological properties, such as a different solids content with constant proportions of solids, flow curves in Depending on the solids content can be determined, since the fit or function parameters of the adapted Herschel-Bulkley curve have a linear dependency in a wide solids content range. In a possible development, the degree of filling is determined by means of an average dwell time and a volume flow as extrusion parameters. The residence time is a measure of the frequency of stress, i.e. the number of stresses that act on the suspension and the conductive particles or agglomerates in the course of the extrusion process. This enables reliable determination of the degree of filling.
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. The degree of filling is therefore also a measure of the dwell time behavior of the extrusion process, which has a great influence on the product quality of the electrode paste, both during melting and during dispersion. When using a co-rotating twin screw extruder, there is a dwell time distribution. While the minimum residence time is important for dispersive mixing, the residence time distribution is of particular importance for distributive mixing. The dwell time is particularly dependent on the process or extrusion parameters throughput (volume flow) and (extruder) speed as well as a screw configuration. Depending on the configuration, the screw configuration produces a narrow (pure screw conveyor) or a wide (screw with many tooth mixing / kneading elements or return elements) distribution width. The screw configuration is a fixed, known parameter of the extruder, so that an averaged filling level can be determined in a simple manner by measuring or recording the speed and the conveyed volume flow.
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 a preferred embodiment, a twin-screw or twin-screw extruder is used as the extruder. As a result, a particularly suitable extruder is used for the manufacture of batteries. The twin-screw extruder here preferably has a co-rotating and closely intermeshing structure with a high mixing and dispersing effect. In a suitable embodiment, a conductive carbon black (CB) is used as the conductive particle. As a result, a particularly suitable conductive additive is used for the battery, in particular for a lithium-ion battery.
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 a preferred application, the method is used to operate a device for manufacturing batteries. The device has an extruder, in particular a twin-screw or twin-screw extruder, for extruding electrode pastes, which is coupled to a controller, that is to say a control device. The controller is generally set up here - in terms of program and / or circuitry - to carry out the method according to the invention described above. The controller is thus specifically set up to monitor the extrusion process, in particular to determine the extrusion parameters, and to control and / or regulate the extrusion process on the basis of a stored stress model.
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. In a preferred embodiment, the controller is at least essentially formed by a microcontroller with a processor and a data memory, in which the functionality for performing the method according to the invention is implemented in the form of operating software (firmware), so that the method - if necessary in interaction with a device user - is carried out automatically when the operating software is executed in the microcontroller. Within the scope of the invention, however, the controller can alternatively also be formed by a non-programmable electronic component, such as an application-specific integrated circuit (ASIC), in which the functionality for performing the method according to the invention is implemented with circuitry.
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 During the manufacture of a battery, an electrode paste is extruded by means of the extruder. The electrode paste is made from the suspension (electrode active material and binder) and the added conductive particles by means of the
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. Extrusion process generated. According to the method, for example, the screw configuration of the extruder is first determined and stored in a memory of the con trollers deposited. Then, for example, a minimum average value of the particle size of the conductive particles at a maximum, coatable solids content, a maximum speed and a minimum volume flow is determined as an extrusion parameter. This analysis or extrusion parameter is subsequently determined several times for suspensions with a reduced solids content, at a reduced (extruder) speed and an increased volume flow, the mean residence time in the extruder being determined in each case. Using these extrusion parameters, the shear stress and the degree of filling are determined and fed to the stored stress model. The controller controls and / or regulates the extrusion process based on the stress model with regard to a desired particle size of the conductive particles in the electrode paste by setting a specific energy required for this.
Somit kann der Controller auf Basis weniger Messungen oder Versuche zuverläs- sig ein Beanspruchungsmodell für einen sicheren und effektiven Betrieb der Vor richtung bestimmen. The controller can therefore reliably determine a stress model for safe and effective operation of the device on the basis of a few measurements or tests.
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. The battery according to the invention is manufactured by means of the method described above. The battery is suitable and set up for a motor vehicle. The battery is designed, for example, as a lithium-ion battery with several interconnected battery cells.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to a drawing. Show in it:
Fig. 1 in schematischer und vereinfachter Darstellung eine Vorrichtung zur Her stellung von Batterien, mit einem Extruder und mit einem Controller,Fig. 1 in a schematic and simplified representation of an apparatus for the manufacture of batteries, with an extruder and a controller,
Fig. 2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung von Batterien,2 shows a flow diagram of a method for producing batteries,
Fig. 3 ein Schubspannungs-Scherraten-Diagramm mit fünf Fließkurven für un- terschiedliche Feststoffgehalte, 3 a shear stress-shear rate diagram with five flow curves for different solids contents,
Fig. 4 ein Volumenstrom-Verweilzeit-Diagramm für unterschiedliche Extruder drehzahlen, und Fig. 5 ein spezifische Energie-Partikelgröße-Diagramm für unterschiedliche Elektrodenpasten und Volumenströme. Fig. 4 is a flow rate-residence time diagram for different extruder speeds, and 5 shows a specific energy-particle size diagram for different electrode pastes and volume flows.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den glei- chen Bezugszeichen versehen. Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference symbols in all figures.
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. 1 shows a device 2 for positioning a battery, in particular for producing an electrode paste 4 for a battery cell of the battery. The device 2 has an extruder 6 in the form of a twin-screw or twin-screw extruder. The extruder 6 has only parts of Darge presented extruder elements 8 as conveying and / or kneading elements, which are driven in the same direction and are designed to mesh closely with one another. The extruder 6 is coupled to a controller 10. To produce the battery, the electrode paste 4 is extruded as an extrudate by means of the extruder 6. The electrode paste 4 is produced additively by means of the extrusion process from a suspension 12 (electrode active material and binder) as well as added conductive particles 14 as conductive. The controller 10 is suitable and set up to monitor the extrusion process, in particular to determine extrusion parameters, and to control and / or regulate the extrusion process or the extruder 6 on the basis of a stored stress model 16. The controller 10 is particularly suitable and set up to control and / or regulate the extruder 6 with regard to a product parameter of the conductive particles 14 in the electrode paste 4. The extruder 6 is thus controlled and / or regulated in such a way that the desired product parameter of the conductive particles 14 is implemented in the extruded electrode paste 4. The desired product parameter is realized in particular by setting the specific energy required in each case for the extruder.
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. For this purpose, in the course of the stress model 16, the product parameter is correlated with the specific energy necessary for a deagglomeration of the conductive particles of this product parameter. A method according to the invention for producing a battery is explained in more detail below with reference to FIGS. 2 to 5. The method is described here by way of example for conductive particles 14 embodied as conductive soot, the desired product parameter being in particular a particle size d of the conductive particles.
In einem ersten Verfahrensschritt 18 werden eine Schneckenkonfiguration SK so wie die geometrischen Eigenschaften gE 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 a first process step 18, a screw configuration SK as well as the geometric properties g E of the extruder 6, i.e. the geometric dimensions and dimensions of the extruder elements 8, in particular the play between the extruder elements 8 and the inner wall of the extruder 8 as well as the gusset play between the meshing extruder elements 8, be true, and stored in a memory of the controller 10.
In einem Verfahrensschritt 20 wird ein minimaler Durchschnittswert der In a method step 20, a minimum average value of
Partikelgröße dM der Leitpartikel bei einem maximalen, beschichtungsfähigen Feststoffgehalt cm, einer maximale (Extruder-)Drehzahl n sowie einem minimaler Volumenstrom V als Extrusionsparameter bestimmt. Nachfolgend wird die Pro duktkenngröße d für reduzierte Feststoffgehalte cm, reduzierter Drehzahl n sowie erhöhtem Volumenstrom V bestimmt, wobei zudem jeweils die mittlere Verweilzeit t sowie die Suspensionsdichte p im Extruder 6 bestimmt wird. Particle size d M of the conductive particles with a maximum, coatable solids content c m , a maximum (extruder) speed n and a minimum volume flow V are determined as extrusion parameters. The product parameter d is then determined for reduced solids content c m , reduced speed n and increased volume flow V, with the mean residence time t and the suspension density p in the extruder 6 being determined.
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 cm, wobei die Fließkurve 24a den größten und die Fließkurve 24e den geringsten Feststoffgehalt cm 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. In a method step 22, a shear stress t and a degree of filling f are determined on the basis of these extrusion parameters or analysis data. The shear stress T, which act on the respective suspension 12 within the extruder 6 at certain speeds n or shear rates g, are determined by means of a shear rate test in which so-called flow curves are determined by means of rotation tests with the respective electrode paste 4. The or each shear rate test provides a flow curve for each extruded electrode paste 4, which can be plotted, for example, in a shear rate / shear stress diagram shown in FIG. In Fig. 3, the shear rate g is along the abscissa axis (X-axis) and the shear stress t is along the ordinate axis (Y-axis) shown in double logarithmic form, the shear rate g is shown in units of s 1 (second 1 ) and the shear stress t in units of Pa (Pascal). In FIG. 3, five flow curves 24a, 24b, 24c, 24d and 24e are shown by way of example. The flow curves 24a, 24b, 24c, 24d and 24e were measured for a suspension 12 at the same speed n, the same screw configuration SK, and the same volume flow V, and differ only in their respective solids content c m , with the flow curve 24a being the largest and the flow curve 24e has the lowest solids content c m . A corresponding curve profile is adapted or (fitted) fitted to the measured (electrode paste-specific) flow curves 24a, 24b, 24c, 24d and 24e. The course of the curve is in particular a so-called Herschel-Bulkley curve. 4 shows a volume flow-residence time diagram in which the volume flow V is plotted along the abscissa axis and the mean residence time t is plotted along the ordinate axis. The volume flow V is plotted in the unit of l / h (liters per hour) and the mean residence time t in the unit s (seconds). In the diagram of FIG. 4, three parabolic curves 26a, 26b and 26c are shown for different speeds n.
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 Vfrei, welches aus den geometrischen Eigenschaften gE bestimmbar ist, sowie der einer jeweiligen mittleren Verweildauer t bei einem gegebenen Volumenstrom V anhand der nachfolgenden Formel berechnet: The curves 24a, 24b, 24c, 24d, 26a, 26b and 26c are stored in a memory of the controller 10. The degree of filling f of the extruder 6 is calculated on the basis of the free extruder volume V free , which can be determined from the geometric properties g E , and that of a respective mean residence time t at a given volume flow V using the following formula:
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. Using the extrusion parameters determined in method step 20 and the stored curves 24a, 24b, 24c, 24d, 26a, 26b and 26c, are therefore easier The manner in which the shear stress t and the degree of filling f can be determined for the prevailing extrusion parameters.
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 Em P berechnet. Die spezifische Energie Em P ergibt sich hier bei gemäß In a method step 28, a specific energy E m P is calculated based on the degree of filling f of the extruder 6 and based on the shear stress t within the extruder 6 at a prevailing shear rate g and based on the density of the respective electrode paste p. The specific energy E m P results here at according to
In einem Verfahrensschritt 30 wird das Beanspruchungsmodell 16 berechnet. Hierzu wird die spezifische Energie Em,p mit der Partikelgröße dM der Leitpartikel 14 korreliert. Eine derartige Korrelation ist beispielsweise in Fig. 5 anhand eines spezifische Energie-Partikelgröße-Diagramm gezeigt. Die berechnete spezifische Energie Em P ist in Einheiten von J/kg (Joule pro Kilogramm) entlang der Abszis senachse, und die Partikelgröße dM ist in Einheiten von pm (Mikrometer) entlang der Ordinatenachse doppellogarithmisch aufgetragen. In der Fig. 5 ist die Abhängigkeit der resultierenden Partikelgröße dM 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 dM der Leitparti- kel 14 in der Elektrodenpaste 4 durch Einstellung einer dafür benötigten spezifi schen Energie Em,p. In a method step 30, the stress model 16 is calculated. For this purpose, the specific energy E m, p is correlated with the particle size d M of the conductive particles 14. Such a correlation is shown, for example, in FIG. 5 on the basis of a specific energy-particle size diagram. The calculated specific energy E m P is in units of J / kg (joules per kilogram) along the abscissa axis, and the particle size d M is plotted logarithmically in units of pm (micrometers) along the ordinate axis. In Fig. 5, the dependency of the resulting particle size d M in the Electrode paste 4 for two different suspensions 14 and two different volume flows V is shown. The fully filled squares show a suspension 12 with a cathode active material for a volume flow V of 1 l / h. The filled circles show a suspension 12 with the cathode active material for a volume flow V of 2.5 l / h. The half-filled squares show a suspension 12 with an anode active material for a volume flow V of 1 l / h. The filled circles show a suspension 12 with the anode active material for a volume flow V of 2.5 l / h. In FIG. 5, the courses of the cathode suspension are each fitted with a model curve 32a, 32b, the model curve 32a describing the course for the high volume flow V. In method step 30, the model curves 32a, 32b are determined and stored in a memory of the controller 10. The controller 10 controls and / or regulates the extrusion process on the basis of the stress model 16 or the model curves 32a, 32b with regard to a desired particle size d M of the conductive particles 14 in the electrode paste 4 by setting a specific energy E m required for this , 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. The claimed invention is not limited to the exemplary embodiment described above. Rather, other variants of the invention can also be derived therefrom by the person skilled in the art within the scope of the disclosed claims without departing from the subject matter of the claimed invention. In particular, all individual features described in connection with the exemplary embodiment can also be combined in other ways within the scope of the disclosed claims without departing from the subject matter of the claimed invention.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
2 Vorrichtung 2 device
4 Elektrodenpaste 4 electrode paste
6 Extruder 6 extruders
8 Extruderelemente 8 extruder elements
10 Controller 10 controllers
12 Suspension 12 suspension
14 Leitpartikel 14 conductive particles
16 Beanspruchungsmodell 16 Stress model
18, 20, 22 Verfahrensschritt18, 20, 22 process step
24a, 24b, 24c, 24d, 24e Fließkurve 24a, 24b, 24c, 24d, 24e flow curve
26a, 26b, 26c Kurvenverlauf 26a, 26b, 26c curve shape
28, 30 Verfahrensschritt 32a, 32b Modellkurve dM Produktkenngröße 28, 30 method step 32a, 32b model curve d M product parameter
SK Schneckenkonfiguration SK screw configuration
gE geometrische Eigenschaft g E geometric property
cm Feststoffgehalt c m solids content
n Drehzahl n speed
V Volumenstrom V volume flow
t Verweilzeit t dwell time
p Suspensionsdichte p suspension density
T Schubspannung T shear stress
f Füllgrad f filling level
Y Scherrate Y shear rate
Em,p spezifische Energie E m, p specific energy

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur Herstellung von Batterien, 1. Process for the production of batteries,
- bei welchem eine Suspension (12) mit einem veränderbaren Produktpa- rameter (14) in einem Extrusionsprozess mittels eines Extruders (6) als - In which a suspension (12) with a variable product parameter (14) in an extrusion process by means of an extruder (6) as
Elektrodenpaste (4) extrudiert wird, Electrode paste (4) is extruded,
- bei welchem eine Anzahl von Extrusionsparametern (SK, gE, cm, n, V, t, p, T, Y, f) des Extrusionsprozesses bestimmt werden, - in which a number of extrusion parameters (SK, g E , c m , n, V, t, p, T, Y, f) of the extrusion process are determined,
- bei welchem anhand der Extrusionsparameter (SK, gE, cm, n, V, t, p, t, g, f) ein extruderspezifisches Beanspruchungsmodell (16) berechnet wird, und- in which an extruder-specific stress model (16) is calculated based on the extrusion parameters (SK, g E , c m , n, V, t, p, t, g, f), and
- bei welchem der Extrusionsprozess anhand des Beanspruchungsmodells (16) gesteuert und/oder geregelt wird. - in which the extrusion process is controlled and / or regulated based on the stress model (16).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , 2. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
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. that a dispersion of conductive particles in the suspension (12) is used as the product parameter (14), the stress model (16) being calculated for a continuous dispersion of the conductive particles in the suspension (12).
3. Verfahren nach Anspruch 2, 3. The method according to claim 2,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass zur Berechnung des Beanspruchungsmodells (16) eine Produktkenn größe (dM) der Leitpartikel (14) mit einer für eine Desagglomeration der Leit- partikel (14) mit dieser Produktkenngröße (dM) notwendigen spezifischenthat to calculate the stress model (16) a product parameter (d M ) of the conductive particles (14) with a specific necessary for a deagglomeration of the conductive particles (14) with this product parameter (d M )
Energie (Em,p) korreliert wird. Energy (E m, p ) is correlated.
4. Verfahren nach Anspruch 3, 4. The method according to claim 3,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass eine Partikelgröße der Leitpartikel (14) als Produktkenngröße (dM) ver wendet wird. that a particle size of the conductive particles (14) is used as a product parameter (d M ).
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, 5. The method according to claim 3 or 4 characterized,
dass die spezifische Energie (Em,p) in Abhängigkeit einer Schubspannung (T) und eines Füllgrades (f) sowie einer Suspensionsdichte (p) als Extrusions parameter bestimmt wird. that the specific energy (E m, p ) is determined as an extrusion parameter as a function of a shear stress (T) and a degree of filling (f) as well as a suspension density (p).
6. Verfahren nach Anspruch 5, 6. The method according to claim 5,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Schubspannung (T) mittels eines Scherratentests, insbesondere an hand einer gemessenen Fließkurve (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) sowie anhand geometrischer Eigenschaften (gE) des Extruders (6) als Extrusionsparameter, bestimmt wird. that the shear stress (T) is determined by means of a shear rate test, in particular on the basis of a measured flow curve (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) and on the basis of geometric properties (g E ) of the extruder (6) as extrusion parameters.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, 7. The method according to claim 5 or 6,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass der Füllgrad (f) mittels einer mittleren Verweilzeit (t) und eines Volu menstroms (V) als Extrusionsparameter bestimmt wird. that the degree of filling (f) is determined by means of a mean residence time (t) and a volume flow (V) as extrusion parameters.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 8. The method according to any one of claims 1 to 7,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass als Extruder (6) ein Doppelwellenextruder verwendet wird. that a twin-screw extruder is used as the extruder (6).
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. 9. Device (2) for setting up batteries, with an extruder (6) and with a controller (10) for carrying out the method according to one of claims 1 to 8.
10. Batterie für ein Kraftfahrzeug, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8. 10. Battery for a motor vehicle, produced by a method according to one of claims 1 to 8.
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