Realisierung und Analyse der strahlbasierten direkten Mischaggregation in der Gasphase zur Bildung von Heteroaggregaten mit neuen Eigenschaften

Projektleitung:

Prof. Dr.-Ing. Harald Kruggel-Emden
Technische Universität Berlin 

Prof. Dr.-Ing. habil. Eberhard Schmidt
Bergische Universität Wuppertal 

Gesamtziel der Forschungsarbeiten ist es, zur Entwicklung neuer partikulärer Produkte auf Basis von Hetero-Agglomeraten, die in der Gasphase gebildet werden, beizutragen. Im Rahmen der ersten Förderperiode wurde daher von den Gruppen Kruggel-Emden an der Technischen Universität Berlin und Schmidt an der Bergischen Universität Wuppertal ein strahlbasierter Prozess entwickelt, realisiert und simulativ analysiert. Dieser Prozess, der die Bildung von Hetero-Agglomeraten in ausreichender Menge und Qualität ermöglichen soll, umfasst drei Schritte. In einem ersten werden die verschiedenen Primärpartikeln als Teil eines Trägergasstroms dispergiert und dosiert. In einem zweiten Schritt interagieren die Strahlen mit den verschiedenen Primärpartikeln miteinander, es kommt zum Kontakt, wodurch die Bildung von Hetero-Agglomeraten ermöglicht wird. In einem dritten Schritt müssen die gebildeten Produkte kontrolliert aus der Kontaktzone entfernt werden.

Der im Zuge der ersten Förderperiode entwickelte und modifizierte Prozess soll in der zweiten Förderperiode Anwendung zur Herstellung von Kathodenmaterialien für Feststoffbatterien (engl.all-solid-state batteries (ASSB)) finden. Der Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung des Einflusses verschiedener Prozessparameter auf die Mischung und Strukturierung von ASSB-Kathoden, um die Prozesseffizienz und die Qualität der hergestellten Komposite zu steigern. Ziel ist es, nicht nur den bestehenden Prozess zu optimieren, sondern auch die Beziehung zwischen den untersuchten Prozessparametern, den resultierenden Mikrostrukturen und den funktionellen Eigenschaften (Elektronen- und Ionentransport) zu verstehen. Durch eine verbesserte Homogenität der Mischungen sollen die Grenzflächenwiderstände innerhalb des Kathodenmaterials verringert und dadurch die Leistungsfähigkeit der Batteriematerialien gesteigert werden. Die dafür notwendige Untersuchung des Prozesses und der resultierenden Hetero-Agglomerate erfolgt zum einen experimentell, z.B. unter Verwendung von offline durchgeführten bildgebenden Verfahren (REM-FIB, EDX), zum anderen simulativ unter Verwendung eines gekoppelten DEM/CFD Ansatzes. Die elektrochemischen Eigenschaften wie die elektronische und ionische Leitfähigkeit der Komposite werden ebenfalls sowohl experimentell in einer Messzelle, als auch simulativ unter Verwendung eines Voxel-basierten Mikrostrukturmodells untersucht.

Über eine im Rahmen der Dispergierung angestrebte bipolare, triboelektrische Aufladung der Primärpartikeln soll der Prozess darüber hinaus intensiviert werden. Dafür sollen Homo-Agglomerate, die unerwünschter Weise vermehrt Partikeln eines Materials enthalten, in einem elektrostatischen Abscheider von den gut durchmischten, elektrisch nahezu neutralen Hetero-Agglomeraten getrennt werden. Die dabei erhoffte Verbesserung der Materialfunktion der Komposite soll dabei wieder simultan untersucht werden. Der Prozess der elektrischen Aufladung, sowie der elektrostatischen Separation soll ebenfalls mit geeigneten DEM/CFD Simulationen analysiert und ausgelegt werden.