Humidity Management
In vielen aktuellen wissenschaftlichen Fragestellungen sind Produktionsprozesse durch Sorptionsvorgänge und Stofftransportprozesse in porösen Strukturen beeinflusst oder werden davon sogar limitiert. Eine dieser Fragestellung ist das Feuchtemanagement bei der Prozessierung von Batterieelektroden. Das Feuchtemanagement umfasst die Regulierung und Beschreibung der Interaktion der porösen Struktur mit der umgebenden Atmosphäre besonders der darin enthaltenen Feuchte.
Was ist Sorption?
Der Begriff der Sorption beschreibt die Aufnahme einer fluiden Phase durch eine angrenzende feste oder flüssige Phase. Zwischen der fluiden Phase und dem sorbierten Anteil stellt sich ein Gleichgewicht ein. Dabei wird zwischen der Adsorption, also Oberflächenanlagerung eines Stoffes, und der Absorption, einer Aufnahme ins Innere des Volumens unterschieden.
Die beiden Mechanismen können häufig nicht klar getrennt werden, weshalb der Überbegriff der Sorption sowohl den Oberflächen- als auch den Volumeneffekt beschreibt. Daneben sind die Begriffe der Physisorption, einer Anlagerung durch Anziehungskräfte, und der Chemisorption unter Ausbildung kovalenter Bindungen zu unterscheiden. (Atkins et al. 2013) Der umgekehrte Vorgang zur Sorption, wird als Desorption bezeichnet. Das Konzentrationsgleichgewicht zwischen den zwei Phasen durch den Ausgleich von Sorption und Desorption wird durch ein Sorptionsgleichgewicht beschrieben.
Was ist Stofftransport in porösen Strukturen?
Stofftransport allgemein beschreibt den Ausgleich eines Konzentrationsgradienten über eine Länge. Dieser Ausgleich kann durch Diffusion und (freie) Konvektion getrieben werden. Liegt ein Konzentrationsgefälle in einer porösen Struktur, bestehend aus einem Netzwerk aus Poren, vor, beeinflusst diese Struktur den Stofftransport maßgeblich. Parameter wie Porosität und Tortuosität charakterisieren dieses Porennetzwerk und bestimmen beispielsweise Diffusionswege der Stoffe durch die poröse Struktur hindurch.
Wo finden diese Phänomene technische Anwendung?
Aktuell spielen Sorptionsvorgänge in der Produktion von Technologien für die Energiewende eine entscheidende Rolle (Abbildung 5). Auf Seiten der Brennstoffzelle nehmen Sorptionszustände Einfluss auf mechanische Eigenschaften des Membranmaterials. Dieser Zusammenhang hat zur Folge, dass Produktionen bei konditionieren Bedingungen stattfinden was kostenintensiv ist. Ein genaues Verständnis der Sorptionsvorgänge des Membranmaterials kann daher Produktionskosten senken und die Technologie schnell wettbewerbsfähig machen.
Die Chemie der Lithium-Ionen-Batterien verlangt eine möglichst geringe Restfeuchte bei deren Elektrodenproduktion. Der zweite Trocknungsschritt (Abbildung 0.1) adressiert diese Vorgabe und entfernt den Wassergehalt der Elektrode bis auf wenige 100 ppm. Am anderen Ende des Lebenszyklus einer Batterie steht das Recycling. Ein Schritt des Recyclings entfernt den Elektrolyten aus der Batterie. Da die Komponenten einer Batterieelektrode eine poröse Struktur ausbilden kombinieren diese beiden Anwendungen Sorption mit Stofftransport durch poröse Strukturen.
Was wird erforscht?
Sorptionsgleichgewichte sind Stoffsystemeigenschaften, die für jedes Stoffsystem individuell bestimmt und beschrieben werden müssen. Modelle für Sorptionsisothermen beschreiben die Sorptionsgleichgewichte mathematisch. Hierbei sind die Ansätze für Sorptionsisothermen verschieden, je nach Sorptionsmechanismus, der zugrunde liegt. Tritt beispielsweise Kapillarkondensation auf, weist das Sorptionsgleichgewicht eine Hysterese auf, was die Erforschung von Sorptionsgleichgewichten besonders spannend macht.
Beim Stofftransport in poröse Strukturen stellt sich vor allem die Frage, wie sich das Porennetzwerk auf die Diffusion auswirkt. Hier gilt es zu quantifizieren welchen Einfluss z.B. die Tortuosität auf den Stofftransport hat. Des Weiteren steht eine umfassende Modellierung dieser Stofftransportvorgänge sowie deren Validierung im Labormaßstab aus. Diese Modelle ermöglichen es, technische relevante Prozess (s.o.) zu simulieren und dadurch Optimierungspotential aufzudecken.
Unsere Messanlagen
Die Magnetschwebewaagen (Abbildung 6) erlauben es, Sorptionsgleichgewichte und Kinetik Parameter zu bestimmen. Diese Anlagen ermöglichen das Einstellen einer definierten Gasphase in der Probenzelle über die Temperatur des Verdampfers und der Probenzelle. In Abhängigkeit dieser Gasphase misst die Waage das Gewicht der Probe auf zehn Mikrogramm genau. Somit werden Sorptionsgleichgewichte vermessen. Ist durch eine präzise Präparation der Proben der Diffusionsweg innerhalb der Probe bekannt, kann aus den zeitlichen Verläufen des Probengewichts zusätzlich Kinetik Parameter ermittelt werden.
