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P12.01
Einflüsse der Prozessbedingungen während der Trocknungauf die Eigenschaften von Lithium-Ionen-BatterieelektrodenDipl.-Ing. S. Jaiser1) (E-Mail: [email protected]), Dipl.-Ing. M. Baunach1), Dr.-Ing. P. Scharfer1), Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. W. Schabel1)
1)Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Thermische Verfahrenstechnik, Bereich Thin Film Technology (TFT), Kaiserstraße 12,D-76131 Karlsruhe, Germany
DOI: 10.1002/cite.201250718
Lithium-Ionen-Batterien sind in der An-wendung bereits vielfach etabliert, dieProzesseinflüsse bei der Herstellung aufdie Eigenschaften der fertigen Batterie-zelle aber bislang noch wenig unter-sucht. Die Trocknung der Elektroden-paste stellt einen wichtigen Prozess-schritt dar, da der Trocknungsprozessdie sich ausbildende Schichtmorpholo-gie und die Eigenschaften der Elektrodein der Batteriezelle beeinflusst. Ziel die-ser Arbeit ist die Untersuchung des Ein-flusses der Trocknungsparameter, insbe-sondere der Trocknungsrate, auf dieElektrode. Die Trocknungsrate lässt sichneben der Temperatur durch die gas-seitigen Randbedingungen während derTrocknung steuern.
Durch eine standardisierte Mischpro-zedur hergestellte, wässrige Anodenpas-ten konstanter Zusammensetzung wur-den auf Kupferfolie appliziert und untereinem Prallstrahldüsenfeld unter indus-trienahen, definierten Bedingungen ge-trocknet. Die Homogenität der Trock-nung wurde durch eine periodischeBewegung des trocknenden Nassfilmsunter dem Düsenfeld sichergestellt. Un-tersucht wurden Temperaturen von30 °C, 60 °C und 90 °C. Aufgrund dertemperaturabhängigen Rheologie wur-den die Beschichtungsparameter andie Trocknungsrandbedingungen ange-passt, um ein konstantes Flächenge-wicht zu erhalten und die Ergebnissevergleichbar zu machen.
Zur Charakterisierung einer wichti-gen Eigenschaft, der Haftung der Ak-tivmaterialschicht auf dem Substrat,wurden die unterschiedlich getrockne-ten, unkalandrierten Elektrodenschich-ten mithilfe eines 90°-Abzugsversuchs(s. Abb. Teil a) untersucht.
Die poröse Elektrodenschicht delami-nierte in dieser Versuchsanordnung na-hezu rückstandslos von der Kupferfolie.Die Messungen zeigen, dass die Haft-kraft mit steigenden Trocknungstempe-raturen abnimmt. In der AbbildungTeil b sind die Ergebnisse von Leitfähig-keitsmessungen an den hergestellten,unkalandrierten Elektrodenschichten dar-gestellt. Hierfür wurde auf ein elektrisch
nichtleitendes PET-Substrat beschichtetund die trockene Schicht anschließendmittels Vier-Punkt-Messung untersucht.Aufgetragen ist die dem elektrischenWiderstand proportionale, gemesseneSpannung über der Trocknungstempe-ratur. Auch bei diesen Versuchen lässtsich ein eindeutiger Trend höhererSchichtwiderstände bei höheren Trock-nungstemperaturen erkennen.
www.cit-journal.com © 2013 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Chemie Ingenieur Technik 2013, 85, No. 9, 1451–1467
Abbildung. Haftkraft der Aktivmaterialschicht auf der Ableiterfolie für unterschiedlich ge-trocknete Elektrodenschichten (a, links), Prinzipskizze des 90°-Abzugsversuchs (a, rechts);gemessene Spannung der unterschiedlich getrockneten Elektrodenschichten (b, links); sche-matische Zeichnung der Vier-Punkt-Messung (b, rechts).
1460 12 Wärme- und Stoffübertragung
In weiteren Experimenten soll derZusammenhang zwischen den unter-suchten Eigenschaften und der Perfor-mance in einer Batteriezelle mit kaland-rierten Proben untersucht werden.Weiterhin soll die lokale Bindervertei-lung in der Elektrodenschicht unter-sucht und mit den bisherigen Ergebnis-sen korreliert werden.
Teile dieser Arbeiten wurden durchdas Bundesministerium für Wirtschaftund Technologie im Rahmen des Pro-jekts Competence E aufgrund eines Be-schlusses des deutschen Bundestagesgefördert (Förderkennzeichen 03ET6016).Wir möchten uns für die Förderung be-danken.
Ein besonderer Dank gilt dem Institutfür Mechanische Verfahrenstechnik undMechanik für die gute Zusammenarbeitund die gemeinsame Pastenherstellungund Haftungsmessungen.
P12.02
Intensivierung des Wärmetransports durch feste SchwämmeDr.-Ing. B. Dietrich1) (E-Mail: [email protected])1)Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Thermische Verfahrenstechnik, Kaiserstraße 12, D-76131 Karlsruhe, Germany
DOI: 10.1002/cite.201250581
Als feste Schwämme werden hochporö-se, offenporige und damit allseitig fluid-durchlässige feste Schäume bezeichnet.Metallische wie auch keramischeSchwämme weisen ein großes Potenzialzur Effizienzsteigerung verfahrenstech-nischer Apparate auf. Deren feste kon-tinuierliche Phase sowie hohe spezifi-sche Oberflächen wirken sich vorteilhaftauf den Wärmetransport aus. Daherkönnten Schwämme in Zukunft alsReceiver in Solarturmkraftwerken, inemissionsarmen Porenbrennern oder inhochselektiven Reaktoren Anwendungfinden. Für die Auslegung derartigerTechnologien sind validierte und belast-bare Modellgleichungen zur Berech-nung effektiver Transportparameter not-wendig. Dabei kann in ein homogenesund ein heterogenes Modell unterschie-den werden. Im homogenen Modellwird der Schwamm als quasikontinuier-liche Phase betrachtet. Der effektiveWärmetransportparameter ist die Zwei-phasen-Wärmeleitfähigkeit. Beim hete-
rogenen Modell werden die fluide unddie feste Phase getrennt voneinander bi-lanziert. Zur Beschreibung des Wärme-transports wird der Wärmeübergangs-koeffizient benötigt [1].
In diesem Beitrag werden Korrela-tionen für das homogene Modell beistagnierender (einphasiger) Fluidschichtsowie bei ein- und zweiphasiger Durch-strömung vorgestellt. Im Falle derstagnierenden Fluidschicht wurden Ver-suche bis zu 900 °C durchgeführt. Derentwickelte Modellansatz berücksichtigtneben der Wärmeleitung auch die Strah-lung, die bei hohen Temperaturen einensignifikanten Einfluss ausübt. Die Mo-dellierung des Wärmetransports infolgeStrahlung wurde mit Hilfe sogenannteroptischer Parameter, wie z. B. Transmis-sion, realisiert. Diese wurden durchFTIR-Messungen ermittelt.
Im Falle der Durchströmung wurdenfür die axiale Zweiphasen-Wärmeleitfä-higkeit [2] im einphasigen Fall sowie fürdie radiale Zweiphasen-Wärmeleitfähig-
keit im ein- und zweiphasigen Fall je-weils Nusselt-Péclet-Ansätze entwickelt.Derartige Ansätze sind in der Literaturfür Kugelschüttungen bereits gut be-kannt, für Schwämme jedoch nicht. Fürdie zweiphasige Durchströmung wur-den Luft/Wasser-Gemische unter Varia-tion der Berieselungsdichte und derGasgeschwindigkeit verwendet. Die Gas-phase war dabei stets gesättigt. Die er-mittelten Korrelationen basieren aufeigenen experimentellen Messungen anverschiedenen metallischen und kera-mischen Schwammtypen (Variation vonZellgröße, Porosität und Material) undwurden darüber hinaus auch mit Mess-daten aus der Literatur validiert.
[1] B. Dietrich, Int. J. Heat Mass Transfer2013, 61, 627 – 637.
[2] B. Dietrich, M. Kind, H. Martin, Int. J.Heat Mass Transfer 2011, 54 (11 – 12),2276 – 2282.
ChemieIngenieurTechnik
Chemie Ingenieur Technik 2013, 85, No. 9, 1451–1467 © 2013 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.cit-journal.com
12 Wärme- und Stoffübertragung 1461
