2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16931In diesem Projekt wird eine neuartige Strahlschichtanlage für die Erzeugung von Hetero-Aggregat-Kompositen optimiert. Die Komposite, die aus drei Materialien bestehen, sollen für den Einsatz in Feststoffbatterien geeignet sein. Die Materialien, deren Primärpartikelgrößen zwischen 40 nm und 1 µm liegen, werden innerhalb des SPP von der Arbeitsgruppe von Prof. Kwade in Braunschweig zur Verfügung gestellt und stellen Kandidaten für die Produktion von Hochleistungsbatterien dar. Die Komposite werden in der Strahlschicht durch Vermischung der Einzelkompenten und durch Aggregation mittels interpartikulärer Haftkräfte geformt. Hauptvorteil der Methode liegt in der lösemittelfreien und skalierbaren Prozessführung. Für eine ausreichende Vermischung der drei Materialien werden zwei neue Ansätze für die Einbringung von Feststoff in eine Strahlschicht untersucht: Zum einen die Einführung über eine zentrale, düsenähnliche Zuführung, zum anderen die Einbringung über den Fluidiationsluftstrom. Nach dem Umbau einer bestehenden, miniaturisierten Strahlschichtanlage werden die Komposite erzeugt und auf ihre mechanischen Eigenschaften und die Zusammensetzung untersucht. Insbesondere die Stabilität der Aggregate sowie die Verteilung der einzelnen Stoffe innerhalb der Komposite sind entscheidende Faktoren für die spätere Anwendung in Feststoffbatterien. Die elektro-chemischen Eigenschaften, vor allem die ionische und elektrische Leitfähigkeit, werden in Braunschweig untersucht. Durch den Austausch der Arbeitsgruppen im Rahmen des SPP werden die Prozessparameter, wie Feststoffmassenströme, Gasgeschwindigkeiten und Bettmassen, variiert und dadurch der Einfluss der Prozessparameter auf die Aggregatstruktur analysiert. Hierdurch werden die optimalen Bedingungen zur Erzeugung leistungsfähiger Komposite für den Einsatz in Feststoffbatterien ermittelt. Die Grundlage des Projekts ist die Auswertung und Erweiterung bereits bestehender theoretischer Modelle für interpartikuläre Kräfte bei der Trockenbeschichtung. Durch experimentelle und simulative Untersuchungen sollen die auftretenden Kräfte, wie Kohäsion, Bruch und Kompression, die auf die Partikel während des Strahlschichtprozesses wirken, analysiert und quantifiziert werden. Die Strömung in der Anlage wird über eine CFD-Simulation berechnet, um die Geschwindigkeitstrajektorien der Einzelpartikel zu bestimmen. Über diese Werte können die Einzelpartikelinteraktionen durch DEM simuliert werden. Ziel dieser Arbeit ist es, das Verhalten beim trockenen Beschichtungsprozess in einer Strahlschicht anhand von numerischen Modellen für die Mikroprozesse vorherzusagen. Dies kann anschließend für die Bilanzierung des Prozesses mittels Populationsbilanzen genutzt werden, die wiederum für die Implementierung eines Modells in der Fließschemasimulationssoftware Dyssol benötigt werden. Außerdem werden so die Grundlagen für weitergehende gekoppelte CFD-DEM-Simulationen gelegt, die für die zweite Förderperiode des SPP geplant sind.In this project, a novel spouted bed dry coating process will be established, which is able to fabricate hetero aggregates consisting of three materials, that are suitable for the use in all-solid-state-batteries. The materials, with primary particle sizes ranging from 40 nm to around 1 µm, will be provided within the SPP by the working group of Prof. Kwade in Braunschweig and resemble candidates for the production of high-performance batteries. The composites will be formed inside the spouted bed by mixing the materials and creating aggregates due to the cohesive forces. The main advantage of this novel method are the avoidance of dangerous-to-health solvents, high forces acting in spouted bed processes and at the same time a scale-up potential. To be able to handle three solid streams in the spouted bed simultaneously, two new, different approaches regarding the injection of solids will be evaluated: a central nozzle-like injection and an injection together with the fluidization gas. Therefore, an existing miniaturized spouted bed plant will be reconstructed and afterwards the first composites will be produced, which will be evaluated regarding their mechanical properties and their composition. Especially the stability of the aggregates as well as the distribution of the different materials inside the aggregate are key factors, which determine the later application in solid-state batteries. The electro-chemical properties of the composites, especially the electric and ionic conductivity as well as the chemical stability will be investigated in Braunschweig. By receiving feedback from our partners, the process parameters (e.g. solids mass flows, gas velocities and bed mass) will be changed, to achieve a fundamental understanding of the relationship between process parameters and aggregate structure and produce aggregates with the best properties for the use in all-solid-state batteries. The foundation of this work will be the evaluation and expansion of existing theoretical models for interparticular forces acting during dry coating processes. By using experimental as well simulative methods, the forces (cohesion, breakage, compression) acting on particles during a spouted bed process will be analysed experimentally as well as by simulation. The gas flow inside the plant will be modelled by CFD to determine the velocities of the trajectories of the particles, which indicate the highest stresses acting on the particles. With this knowledge it is possible to simulate the particular interactions in DEM. Goal of this work is the ability to predict the behaviour during a dry coating spouted process by describing the microprocesses numerically. Afterwards, it will be possible to describe the process by population balances, which in turn will be used to create a theoretical model for the use in flowsheet simulations (Dyssol) and lay the foundation for further coupled CFD-DEM simulations of the process, which are planned for the second funding period.