Batterietechnologie Auf die optimale Mischung kommt’s an

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Zwischen 2020 und 2030 soll die weltweite Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien um das Elffache steigen. Ein optimaler Mischprozess hilft, die Effizienz in der Elektrodenherstellung zu steigern und die Batterieproduktion zu optimieren.

Nicht nur Elektrofahrzeuge sorgen für eine steigende Nachfrage nach Li-Ionen-Batterien, auch viele alltägliche Produkte wie Hybridfahrzeuge, Elektrofahrräder, Elektrowerkzeuge, tragbare elektronische Geräte, stationäre Energiespeichersysteme, medizinische Geräte und Industrieanlagen fordern ihren Tribut. Unabhängig vom späteren Einsatz: Fortschrittliche Materialien und eine optimierte Batteriezell-Chemie sind der Schlüssel für höhere Leistung und mehr Sicherheit. Schließlich bleibt die Entwicklung nicht stehen. Längst stehen weitere Batterien in den Startlöchern, etwa Na-Ionen-, Li-Schwefel-, Salzwasser-, Festkörper-, kobaltfreie Li-Ionen-, Redox-Flow-, Zn-Ionen-, Zn-Br- und Zn-Luft-Batterien.

Überraschend: Obwohl bis 2030 mehr als die Hälfte der Neuwagen batteriebetrieben sein soll, setzt die Branche noch immer auf ineffiziente Technologie aus den 1900er Jahren, zum Beispiel um Komponenten für die Elektrodenformulierung zu mischen.

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Neue Forschungsschwerpunkte und Herausforderungen

Generell gibt es einige Herausforderungen, die bei der Schaffung einer neuen Batteriechemie zu berücksichtigen sind. Dazu gehören eine hohe Batteriekontrolle und -konformität, Querkontaminationsprävention, einstellbare Durchflussraten für kohäsive oder sehr lose Pulver, niedrige Luftfeuchtigkeit und präzise Kontrolle der Verarbeitungstemperaturen.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt bei Batterien liegt auf einer längeren Lebensdauer, einer höheren Sicherheit und größeren Kompaktheit bei gleichzeitiger Beibehaltung einer hohen Energiedichte bei geringeren Kosten. Weiter sollte eine Batterie schnell oder gar drahtlos zu laden sein.

Mischen als Schlüsseltechnologie entscheidend

Der entscheidende Prozessschritt bei der Elektrodenherstellung, das betrifft sowohl Kathode als auch Anode, ist oft das Mischen. Je nach Anforderung kommen hier unterschiedliche Mischverfahren zum Einsatz.

Das Konvektionsmischen beruht auf einer Zwangsführung der Partikel, indem diese durch ein Werkzeug wie ein Band oder eine Klinge gedrückt werden. Diese Partikel bewegen wiederum andere Partikel. Beim Konvektionsmischen können hohe Scherkräfte bis zum Kneten hochpastöser Massen und der Homogenisierung von Pulvern mit hochviskosen Flüssigkeiten aufgebracht werden. Dagegen werden bei der mechanischen Fluidisierung die Partikel durch schnelle Pflug- oder Paddelblätter in die Luft „gepeitscht“. Hier kollidieren die Partikel mit anderen, wodurch eine Wolke mit größeren Luftspalten entsteht, welche die Interpartikel- und Wandreibung reduziert. Beim Diffusionsmischen werden die Partikel angehoben. Dies bewirkt eine gleitende Partikelbewegung zueinander, die sich hierbei kontinuierlich neu verteilen, sodass jedes Teilchen die gleiche Gravitationskraft erfährt.

Der Mischmechanismus definiert bis zu einem gewissen Grad die Menge an Scherung, die dem Produkt zugefügt wird. Für einige Prozesse ist oft eine hohe Scherung erforderlich, bei anderen kann sie das Produkt mechanisch belasten oder Reibungswärme übertragen. Daher muss immer das Niveau der akzeptablen Scherenergie ausgewählt werden.

Richtige Auswahl entscheidet über Qualität

Mischformulierungen können nur aus Pulvern bestehen oder in flüssiger Form vorliegen oder aus einer Kombination. Die richtige Auswahl von Mischgeräten und Mischverfahren für Elektrodenschlämme ist wesentlich für die gute Qualität von Batterien. Es gilt, die kritischen Parameter zu verstehen und dann die effektivste Mischlösung auszuwählen, die die Homogenität, Reproduzierbarkeit und Qualität des Endprodukts liefert. Dabei gibt es ganz unterschiedliche Herausforderungen, wie folgende Beispiele zeigen:

• Formulierungen können Ausdünnungen, zeitabhängige oder pseudoplastische Halbflüsse aufweisen. Geräte, die eine hohe Scherspannung ausüben, müssen möglicherweise vermieden werden, da die anodenaktiven Materialien eine zerbrechliche Kristallstruktur aufweisen können.

• Bindemittel verbessern die Haftung zwischen aktiven Materialpartikeln während des Mischens. Diese sollten stabil genug sein, um die Klebequalität auch bei der Elektrolyt- oder Oxidations-Reduktionsreaktion beizubehalten. Diese Materialien müssen gleichmäßig verteilt sein und eine starke Haftung, gute Löslichkeit in industriellen Lösungsmitteln, elektrochemische Trägheit sowie Beständigkeit gegenüber den meisten Chemikalien aufweisen.

• Die Anoden- und Kathodenzellen einer Batterie erscheinen oft identisch und werden mit ähnlichen, wenn nicht sogar gleichen Maschinen hergestellt. Hier ist eine Querkontamination zu vermeiden.

• Auch die Partikelgrößenverteilung kann sich auf die Misch- und Elektrodenqualität auswirken. Übergroße oder unterdimensionierte Partikel können Staub erzeugen. Darüber hinaus erzeugen mehr Punktkontakte in aktiven Materialien mehr Löcher und verringern die Batteriekapazität.

• Die Leitfähigkeit der Elektrode kann durch Zugabe leitfähiger Additive verbessert werden.

Generell müssen Anoden- und Kathodenoberflächen von Lithiumbatterien gleichmäßig beschichtet werden, um eine gute Stabilität zu gewährleisten. Hierfür müssen Mischprozesse kombiniert werden. Dies gelingt beispielsweise über doppelwandige Ausführungen der Mischanlagen und dadurch eine mögliche Einbringung von Temperaturen zum Erhitzen, Trocken, oder Kühlen bis hin zum Verarbeiten der Produkte unter Vakuum.

Fazit: Neue Batterietechnologien entwickeln sich rasant, sowohl in Forschung und Entwicklung als auch in der Produktion. Optimierte und angepasste Mischprozesse leisten dabei einen wesentlichen Beitrag zur zukünftigen Steigerung und Verbesserung der Batterieproduktion.

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