Prädiktive Berechnung von Hetero-Agglomerationsvorgängen in Mehrstoffsuspensionen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Frank Rhein
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 520278921

Die Agglomeration ist eine Grundoperation der mechanischen Verfahrenstechnik und somit für nahezu alle Prozesse der Partikeltechnik relevant. Die gezielte bzw. selektive Agglomeration in Mehrstoffsuspensionen findet breite Anwendungsmöglichkeiten. Ein aktuelles Beispiel ist die durch Hetero-Agglomeration eingestellte Mikrostruktur in Lithium-Ionen-Batterien, welche maßgeblich die resultierenden Produkteigenschaften beeinflusst. Es existieren lediglich eingeschränkte analytische Möglichkeiten, um relevante Eigenschaften, wie z. B. die stoffliche Agglomerat-Zusammensetzung, zu bestimmen. Dies motiviert die Suche nach prädiktiven Berechnungsmethoden, die Einblicke in die ablaufenden Mikroprozesse und somit Zugang zu nicht messbaren Prozessinformationen gewähren. Generell kommen hierfür Populationsbilanzen zum Einsatz, die eine Berechnung makroskopischer Agglomerationsprozesse erlauben. Essentiell ist dabei eine zuverlässige Bestimmung der Agglomerations- und Bruchraten, der sogenannten kernels. Insbesondere in Mehrstoffsuspensionen ist dies herausfordernd und bisher kaum beschrieben, da alle Wechselwirkungen zwischen allen auftretenden Komponenten zu berücksichtigen sind und deren Beschreibung durch lokal heterogene Oberflächeneigenschaften erschwert ist. Das beantragte Projekt verfolgt einen mehrskaligen Ansatz, bei dem sich verschiedene Methoden untereinander ergänzen: CFD-DEM Simulationen auf Makro- und Mikroskala liefern unter Einbeziehung von experimentellen Daten die notwendigen kernels. Die Betrachtung beschränkt sich dabei zunächst auf das Ein- und Zweistoffsystem. Die Variation relevanter Prozessparameter schafft einen breiten Datensatz, der durch Methoden des maschinellen Lernens erweitert und in ein interpolationsfähiges Modell überführt wird. Dies ist für eine echtzeitfähige Integration in die Populationsbilanz unerlässlich und realisiert gleichzeitig die notwendige Mehrskalenkopplung. Anschließend stehen Übertragungskriterien und Modelle im Mittelpunkt, mit denen sich die kernels vom Zwei- ins beliebige Mehrstoffsystem übertragen lassen. Agglomerationsexperimente im Mehrstoffsystem sowie detaillierte Analysen der hergestellten Hetero-Agglomerate erlauben die Validierung der prädiktiven Berechnung. Die etablierte Vorgehensweise wird abschließend auf bisher nicht untersuchte, technisch relevante Stoffsysteme übertragen, um deren Generalisierungsfähigkeit zu prüfen. Am Ende des Projekts existiert eine systematische Methodik, mit der sich Hetero-Agglomerationsprozesse in beliebigen Mehrstoffsuspensionen von Grund auf, d. h. ohne Vorwissen berechnen lassen. Diese Methodik bietet breites Anwendungspotential für nahezu alle Bereiche der Partikeltechnik und hilft die teilweise komplexen Mikroprozesse transparenter zu gestalten und steuerbar zu machen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Hermann Nirschl