Energy Optimization for Lithium-ion Electrode Manufacturing Processes

Abstract

Idet dagens samfunn gradvis heller mot transport metoder drevet av fornybar energi, som elektriske biler, er batteriproduksjon forventet å vokse betydelig. Denne oppgaven har som mål å ta for seg energiforbruket i en litium-ion batteri produksjonsprosess. Dette inkluderer også å se på potensialet av alternative teknologier innenfor feltet.

De mest energikrevende stegene i en standard produksjonsprosess er elektrodetørkingen og “dry room”. Disse områdene er hovedfokuset for denne studien. Energien som kreves for fordamping av “solvent”, samt tørketiden til elektroden, er simulert ved bruk av matematiske modeller for forskjellige tørkemetoder. Testing er også gjennomført for forskjellige initialbetingelser. Simulering for energikravet til oppvarming og nedkjøling av produksjonsprosessen er gjennomført ved bruk av Aspen HYSYS. "Dry room” er modellert ved bruk av Aspen Plus. Potensialet for å bruke “Maximum Energy Recovery” (MER) nettverk basert på pinch analyse er undersøkt. Et estimat av produksjonsenergien i de forskjellige oppsettene er også gjennomført. I tillegg er forholdet mellom energibruk og produsert batterikapasitet vurdert.

Den vanlige tørkeprosessen ved bruk av konveksjon, er modellert til å ha en effekt på rundt 2591 kW. Dette korresponderer til en energi per produsert celle forhold på 32.7 Wh/Wh, og er et referansepunkt for sammenligning av de resterende designene. Tørking ved bruk av stråling er til sammenligning litt høyere med et forhold på 34.4 Wh/Wh. Designene for MER-nettverkene er mellom 18 og 20 Wh/Wh, som antyder at denne designmetoden er veldig relevant i sammenligning med vanlige produksjonsoppsett. Disse MER-nettverkene kan også bli videre forbedret ved å integrere en varmepumpe rundt pinch temperaturen til systemet.

Energikravet for “Dry room” er også modellert med en resulterende effekt på 339 kW. Dette tilsvarer et total energi per. produsert kapasitet forhold på 5 Wh/Wh, avhengig av initialbetingelser. Alternative produksjonsmetoder, som “semi-solid” elektrodestrukturer, kan unngå kravet om elektrodetørking, og derfor mesteparten av energiforbruket. Disse metodene viser potensiale, og det kombinerte energikravet er estimert til å være 10-20 Wh/Wh. Lasertørking er også diskutert som et lovende alternativ, gitt den økte graden av kontroll som lasertørking gir for prosessen.

As today's society is gradually shifting towards renewable transport methods such as electric vehicles, battery production is forecasted to grow significantly. This thesis seeks to evaluate the energy consumption of the lithium-ion battery manufacturing process and address ways to improve the energy efficiency of the current manufacturing process. This also includes assessing the potential of emerging technologies within the field.

The most energy demanding steps in a conventional manufacturing process are the electrode drying process and the dry room. These areas are the main focal points for this study. The evaporation energy and drying time of the electrode drying process is simulated for different drying techniques and tested based on different initial conditions using a mathematical model. The process simulation of the required energy for airflow heating and cooling is modeled using Aspen HYSYS. Further, the dry room is modeled using Aspen Plus based on different ambient conditions. Additionally, the potential for using maximum energy recovery (MER) networks based on the pinch approach is investigated. An estimate is made towards the equivalent production of the setups tested for and further, the ratio between energy consumption and production capacity is evaluated.

The conventional convective drying process is modeled to have a load of around 2591 kW, this corresponds to an energy to produced cell capacity ratio of 32.7 Wh/Wh, and serves as the basis for comparison for the remaining designs. Radiation drying is by comparison slightly higher with a ratio of 34.4 Wh/Wh. The MER-network designs range from 18-20 Wh/Wh, implying that this design approach is highly viable compared to conventional setups. These MER-networks can also be further improved by integrating heat pumps around the pinch of the system.

The dry room energy requirements are also modeled with a resulting load of 399 kW. This correlates to a total energy to produced capacity ratio of close to 5 Wh/Wh, depending on input conditions. Alternative production methods such as semi-solid electrode structures are able to bypass the need for electrode drying and thus the majority of the energy consumption. These methods also hold potential, and the combined energy requirement is estimated to be around 10-20 Wh/Wh. Laser drying is also discussed as a promising alternative due to the high degree of control of the drying rate throughout the process.