Das Prinzip und die Funktion der Batterieelektroden-Kalandermaschine

Lithium-Ionen-Batterien werden häufig in verschiedenen Bereichen eingesetzt, beispielsweise in Elektrofahrzeugen, Unterhaltungselektronik, Energiespeicherung und Luft- und Raumfahrt. Die Leistung und Qualität von Lithium-Ionen-Batterien hängt von den Elektrodenmaterialien und deren Verarbeitungsverfahren ab. Einer der Schlüsselprozesse bei der Elektrodenherstellung ist das Kalandrieren, bei dem die auf die Stromkollektorfolie aufgetragene Elektrodenaufschlämmung durch ein Walzenpaar komprimiert wird. Durch Kalandrieren können die Dichte, Leitfähigkeit, Haftung und mechanische Festigkeit der Elektrode verbessert sowie die Dicke und Porosität verringert werden. Das Kalandrieren bringt jedoch auch einige Nachteile mit sich, wie z. B. Rissbildung, Delaminierung, Spannungsaufbau und Kapazitätsverlust. Daher ist es wichtig, die Kalandrierparameter zu optimieren und die geeignete Ausrüstung für verschiedene Elektrodentypen und -spezifikationen auszuwählen.

Eine Batterieelektroden-Kalandriermaschine (Walzpressmaschine) ist ein Gerät, das aus zwei oder mehr Walzen besteht, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen und Druck auf das durch sie hindurchlaufende Material ausüben. Es gibt verschiedene Arten von Kalandriermaschinen, wie zum Beispiel Zweiwalzen-, Dreiwalzen-, Vierwalzen- und Mehrwalzenkalander. Unter diesen ist der Zweiwalzenkalander der am häufigsten verwendete für die Kalandrierung von Lithium-Ionen-Batterieelektroden. Ein Zweiwalzenkalander verfügt über zwei zylindrische Walzen mit einstellbarem Spalt und Druck. Die Elektrodenfolie wird in den Spalt eingeführt und durch die Rollen komprimiert. Die Dicke und Dichte der Elektrode kann durch Einstellen des Abstands und des Drucks gesteuert werden.

Der Anwendungsbereich der Zweiwalzen-Kalandermaschine für Lithium-Ionen-Batterieelektroden hängt von mehreren Faktoren ab, wie zum Beispiel dem Elektrodenmaterial, der Beschichtungsmethode, der Beschichtungsdicke, dem Walzenmaterial, dem Walzendurchmesser, der Walzengeschwindigkeit und der Walzentemperatur. Im Allgemeinen eignet sich die Zweiwalzen-Kalandermaschine für Elektroden mit mäßiger Beschichtungsdicke (10–50 Mikrometer), hoher Dichte (1,5–2 g/cm3) und geringer Porosität (30–40 %). Das Rollenmaterial sollte hart und glatt sein, beispielsweise Stahl oder verchromter Stahl. Der Rollendurchmesser sollte groß genug sein, um eine übermäßige Biegebeanspruchung der Elektrodenfolie zu vermeiden. Die Walzengeschwindigkeit sollte auf die Vorschubgeschwindigkeit abgestimmt sein, um ein Durchrutschen oder Reißen zu vermeiden. Die Walzentemperatur sollte bei Raumtemperatur oder etwas höher gehalten werden, um eine thermische Ausdehnung oder Kontraktion der Elektrode zu vermeiden.

Das Funktionsprinzip der Zweiwalzen-Kalandermaschine für Lithium-Ionen-Batterieelektroden basiert auf der elastisch-plastischen Verformungstheorie. Wenn die Elektrodenfolie in den Spalt zwischen den Rollen eintritt, erfährt sie zunächst eine elastische Verformung, sodass  sie nach dem Entladen wieder ihre ursprüngliche Form annehmen kann. Mit zunehmendem Druck erreicht die Elektrodenfolie ihre Fließgrenze und erfährt eine plastische Verformung, was bedeutet, dass sie nach der Entlastung eine gewisse bleibende Verformung beibehält. Durch die plastische Verformung kann die Dicke verringert und die Dichte der Elektrode erhöht werden. Wenn der Druck jedoch zu hoch ist, kann es zu irreversiblen Schäden an der Elektrodenstruktur und ihren Eigenschaften kommen, wie z. B. Rissbildung, Delaminierung oder Kapazitätsverlust.

Die Ausrüstungsfunktion der Batterieelektroden- Kalandermaschine für Lithium-Ionen-Batterieelektroden besteht darin, die Leistung und Qualität der Elektroden durch Optimierung ihrer physikalischen Parameter zu verbessern. Durch den Einsatz einer Zweiwalzen-Kalandermaschine kann Folgendes erreicht werden:

- Höhere Dichte: Durch Kalandrieren kann die Packungsdichte der Aktivmaterialpartikel erhöht und der Hohlraum zwischen ihnen verringert werden. Dies kann die Leitfähigkeit, Kapazität und Lebensdauer der Elektrode verbessern.

- Geringere Dicke: Durch Kalandrieren kann die Dicke der Elektrode verringert und ihre spezifische Kapazität (Kapazität pro Flächeneinheit) erhöht werden. Dadurch können Gewicht und Volumen der Batterie reduziert und ihre Energiedichte verbessert werden.

- Bessere Haftung: Durch Kalandrieren kann die Haftung zwischen der Aktivmaterialschicht und der Stromkollektorfolie sowie zwischen verschiedenen Schichten der Elektrode (z. B. Bindemittel, leitfähiges Additiv und Separator) verbessert werden. Dadurch kann die mechanische Festigkeit und Stabilität der Elektrode verbessert werden.

- Gleichmäßige Porosität: Durch Kalandrieren kann eine gleichmäßige Porenverteilung in der Elektrode erzeugt werden, was die Elektrolytinfiltration und den Ionentransport erleichtern kann. Dies kann die Geschwindigkeit und Sicherheit der Batterie verbessern.