Zentrum für Dispergiertechnik

© Foto: Nikola Kaloyanov, Fraunhofer IPA

Das IPA bündelt im Zentrum für Dispergiertechnik die vorhandenen Kompetenzen in diesem Bereich der Oberflächentechnik und bildet damit systemisch-interdisziplinär die gesamte Prozesskette Dispergiertechnik von der Erarbeitung wissenschaftlicher Grundlagen bis zum Einsatz im industriellen Umfeld ab.

Dadurch erfüllen wir die Erwartung der Industrie, im IPA als unterstützender Forschungseinrichtung den kompetenten Partner zu treffen. Wir erarbeiten in diesem Zentrum Lösungen beispielsweise zur Sicherheit von Prozessen und Anlagen und zur Energie- und Ressourcen-Effizienz. Wir begleiten Industriekunden bei der Entwicklung ihrer Anwendungen, indem wir sie bei der Auslegung des Gesamtprozesses und auch bei der Wahl der richtigen Materialien unterstützen. Somit werden von Anfang an wichtige Größen, wie Automatisierungsgrad, Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit berücksichtigt und während der Entwicklung gesteuert.

Im Rahmen von Entwicklungsprojekten erforschen wir die Auswahl der richtigen Matrixmaterialien wie Bindemittel, Pigmente und Füllstoffen, deren Oberflächenfunktionalisierungen, sowie erforderliche Additive, Stabilisatoren und Verarbeitungsprozesse. Damit erarbeiten wir das Know-how, für jede Anwendung die maßgeschneiderte Dispersion formulieren zu können. Die Stabilisierung von Nanopartikeln und die Dispergiertechnik spielen eine bedeutende Rolle im Entwicklungsprozess von funktionalen Materialien. So neigen Nanopartikel aufgrund der großen Oberfläche zur Bildung von Agglomeraten. Im agglomerierten Zustand sind sie ungeeignet für die Einarbeitung in andere Materialien, machen das Material inhomogen und verursachen Schwachstellen. Aus diesem Grund müssen Nanopartikel in einen agglomeratfreien, stabilen Zustand überführt werden. Im Dispergierzentrum beginnt deshalb die Entwicklung von Dispersionen wenn notwendig nicht erst bei der Dispergierung und Stabilisierung von Partikeln in einer Formulierung eines Matrixpolymeren, sondern gegebenenfalls schon bei der gezielten Funktionalisierung der Füllstoff-/Pigmentoberflächen.

Skalierbare Prozesse: Digitalisierte Dispergieranlage für die Batteriefertigung

Im Herstellungsprozess von Elektroden ist die Formulierung der Paste, mit der das Substrat beschichtet wird, von entscheidender Bedeutung für die später folgenden Prozesse und die Güte der Batterie. Die Paste bildet später den aktiven Teil der Batterie. Sie besteht aus einem Pulvergemisch, dem neben den Kernsubstanzen wie Lithium- oder Kobaltverbindungen auch Bindemittel, Dispergierhilfsmittel und leitfähige Stoffe wie Leitruß beigefügt sind. Dieses Pulver wird mit einem Lösemittel zur Slurry angerührt. Die voll digitalisierte Dispergieranlage, wie sie in den IPA-Laboren steht, ist mit zahlreichen Sensoren bestückt: Fühler messen u. a. während des Rührens Wärmeverteilung, Füllstand, Leitfähigkeit. Sie spüren jede Verklumpung noch beim Rühren auf und verlängern bei Bedarf den Einarbeitungsprozess. Ist eine homogene Paste entstanden, sorgen sie dafür, dass die Anlage nicht zu lange läuft. Bisher arbeiten dispergierende Unternehmen in der Regel mit großen Sicherheitsmargen, sodass ein Großteil der eingesetzten Energie als Wärme frei wird, anstatt die Dispersion in ihren Eigenschaften zu verbessern. Hier verbirgt sich ein großes Einsparpotenzial.

Die erfassten Daten und deren Auswertung helfen dabei, Ausschussraten erheblich zu reduzieren. Denn in der Fabrik von morgen sind alle Geräte, die zur Batterieproduktion nötig sind, miteinander vernetzt. Dann könnte die Beschichtungsanlage, sobald sie ein Problem erkannt hat, die Dispergieranlage anweisen, länger zu dispergieren oder andere Parameter zu verstellen. Das Ziel ist letztlich ein selbstlernendes System, das keine Eingriffe von außen mehr benötigt.

Die Daten aus einer smarten Dispergieranlage verbessern nicht nur die Dispersion, die zur Fertigung von Batteriezellen gebraucht wird; die Daten helfen vor allem dabei, den Ausschuss an Batterien erheblich zu reduzieren und sparen Energie.