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Die neue Art des Mischens

Inline-Misch- und Dispergiersysteme für die Herstellung von Beschichtungsmassen

| Autor/ Redakteur: Ralf Bürgelin / Dr. Jörg Kempf

Stark ansteigender Marktbedarf und neue Materialien benötigen ein Überdenken der konventionellen Mischprozesse der Elektroden-Pasten für Sekundärbatterien. Lesen Sie, warum der Wechsel zu Inline-Prozessen eine effiziente Maßnahme ist, um die Herstellkosten zu minimieren und die Qualität auf gleichbleibend hohem Niveau zu etablieren.

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Beim Inline-Einsaugmischer Typ CMX bleibt die Einsaugleistung auch am Prozessende bei ansteigender Viskosität ohne zusätzliche Aggregate (z.B. Zirkulationspumpen) auf hohem Niveau.
Beim Inline-Einsaugmischer Typ CMX bleibt die Einsaugleistung auch am Prozessende bei ansteigender Viskosität ohne zusätzliche Aggregate (z.B. Zirkulationspumpen) auf hohem Niveau.
(Bild: Ika)

Ob regenerative Energien, Elektromobilität oder mobile Elektronik, all diese elektrischen Systeme benötigen für ihre Funktion ein Speichermedium für elektrische Energie. Der Kapazitätsbedarf für derartige Systeme verzeichnet weltweit einen rasanten Anstieg, der in Zukunft exponentiell wachsen wird. Sekundärbatterien basierend auf der Lithium-Ionen-Technologie (LIB) sind aktueller Stand der Technik.

Die Batterie-Forschung hat ihren Fokus auf der Wahl der besten Materialien und Rezepturen. Die Verwendung einer für die Massenproduktion geeigneten Herstellungstechnik ist jedoch ein wichtiger Baustein, um Sekundärbatterien in gleichbleibend guter Qualität mit geringsten Kosten herstellen zu können. Während bei den Materialkosten nur geringe Optimierungen möglich sind, ist bei den Produktionskosten noch Potenzial vorhanden, um Prozesszeiten zu verkürzen und vollkommen automatisiert zu produzieren.

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Die LIB-Technologie verbindet hohe Energiedichte und hohe verfügbare Kapazität pro Zelle mit kurzen Ladezeiten und langer Lebensdauer. Sie ist damit den traditionellen Batterie-Technologien weit überlegen. Eine LIB-Sekundärzelle besteht in der Regel aus den Hauptkomponenten Anode, Kathode, Separator und leitendem Elektrolyt. Es ist essentiell, dass die hochviskosen Beschichtungsmassen auf den Elektroden in sich homogen sind, ohne Veränderungen der Materialbeschaffenheit. So werden identische elektrische Eigenschaften und eine volle Leistungsfähigkeit erzielt. Dies muss in der Produktion zwingend eingehalten werden.

Bei der Herstellung der Beschichtungsmassen werden flüssige Lösungsmittel mit pulverförmigen Feststoffen wie Binder und Aktivmaterial homogen zu einer hochviskosen Masse gemischt, wobei die Gefahr der Agglomeratbildung besteht. Das eingearbeitete Lösungsmittel verflüchtigt sich bei großen Temperaturerhöhungen. Da mechanische Mischprozesse unweigerlich Wärmeenergie freisetzen, ist das Dispergieren mit hoher Effizienz sehr wichtig.

Konventionell gemischt

Die Herstellung der Beschichtungsmassen konnte in der Vergangenheit mit wenig effizienten, langsam laufenden Batch-Prozessen bewältigt werden. Für die Mischungen wurden und werden meist schnelllaufende Rührer für Binderlösungen und für die weiteren Prozessschritte Planetenmischer eingesetzt. Der geringe spezifische Energieeintrag ist einer der Gründe, warum diese Maschinen sehr lange Misch- und Dispergierzeiten haben. Als Folge davon sind viele voluminöse Batch-Geräte notwendig, die teuer in der Anschaffung und auch im Unterhalt durch Wartung und Reinigung sind. Um ein Mindestdispergierergebnis zu erzielen, wird durch große Rührwerkzeuge immer der komplette Batch umgewälzt. Da es bei diesem Verfahren oft zu Klumpenbildung kommt und die Mischung trotz langer Mischzeiten inhomogen bleibt, müssen zusätzlich Filter und nachfolgende Dispergierprozesse eingesetzt werden. Nach der Entleerung des Behälters verbleiben Restmengen an Rührwerkzeugen und Behälterwandung haften, die Reinigung ist aufwändig und lösungsmittelintensiv.

Fortschrittlich gemischt

Der stark ansteigende Bedarf an Beschichtungsmassen sowie anspruchsvolle Materialien bis in Nano-Größe benötigen eine fortschrittliche Produktionstechnologie, die äußerst effizient arbeitet und für die Massenproduktion geeignet ist. Das Herzstück der fortschrittlichen Dispergiertechnologie sind Inline-Geräte. Das zu dispergierende Produkt wird dabei zwangsweise über eine Rohrleitung dem Mischwerkzeug zugeführt. Hier wird in kleinstem Volumen mit schnell laufenden Werkzeugen Mischenergie eingetragen und dadurch restlos alle Produktbestandteile in äußerst effizienter Art und Weise bearbeitet. Output und Ergebnis sind nun kalkulierbar mit Durchsatzmenge und gegebenenfalls mit der Anzahl der Durchläufe. Inline-Geräte können sowohl in einem Batch-Inline-Prozess in Rezirkulation als auch als vollkontinuierliche Systeme mit Betrieb in einer Passage verwendet werden. Materialverluste werden minimiert, die Reinigung erfolgt im Durchlauf mit Cleaning-in-place (CIP).

Der optimale Prozess

Der optimale Prozess zur Herstellung von Beschichtungsmassen für Sekundärbatterien besteht dabei aus zwei Prozessschritten:

Im ersten Schritt wird mit einem Inline-Einsaug-Dispergiergerät die Binderlösung hergestellt. Dazu wird im Mischbehälter das Lösungsmittel vorgelegt. Über zwei Feststofftrichter wird jeweils die notwendige Menge an Binder und Leitfähigkeitsmittel eindosiert. Das Dispergiergerät zirkuliert das Lösungsmittel und saugt das Binderpulver ein. Feststoff und Flüssigkeit treffen in kleinstem Volumen unter höchster Turbulenz aufeinander. Dadurch wird das Binderpulver optimal benetzt und agglomeratfrei gelöst. Als nächstes wird anschließend das Kohlenstoffpulver eingesaugt und dispergiert. Die Maschine erzeugt ein Vakuum, das in kürzester Zeit auch große Mengen verarbeitet. Nach Fertigstellung der Kohlenstoffpaste wird das Produkt in einen Pufferbehälter transferiert.

Für eine optimale Anpassung der Maschinenkonfiguration an das Prozessziel und die Rohstoffe sind neben der Drehzahl als Prozessparameter außerdem austauschbare Werkzeuge und eine stabile Kennlinie auch bei ansteigender Viskosität essentiell. Der Inline-Einsaugmischer vom Typ CMX von Ika erfüllt diese Anforderungen. Durch seine mehrstufige Ausführung bleibt die Einsaugleistung der Maschine auch am Prozessende bei ansteigender Viskosität ohne zusätzliche Aggregate wie z.B. Zirkulationspumpen auf hohem Niveau. Durchsatzleistung und Förderdruck sind ausreichend, um das Produkt nach Ende des Misch­prozesses zu transferieren und bei Bedarf als Pumpe der CIP-Düsen zu funktionieren. Optimalste Ausführung zur Herstellung von Binderlösungen ist die CMX-Anlage, eine Kompaktanlagenserie mit der CMX als Herzstück inklusive Mischbehälter, Rührwerk und Steuerung. Die Anlage ist optimiert für die Herstellung viskoser Medien mit hohem Feststoffanteil.

Im zweiten Prozessschritt wird mit einem Inline-Dispergiergerät das Aktiv-Pulver in einer Passage über Schwerkraft eingetragen und dispergiert. Schonendes Dispergieren einer prozentual großen Pulvermenge mit geringer Temperaturerhöhung und minimiertem Lufteintrag ist das Ziel. Die Binder-C-Paste, hergestellt im ersten Prozessschritt, bildet dabei die flüssige Phase. Diese wird mit einer massendurchflussgeregelten Verdrängerpumpe kontinuierlich zugeführt. Gleichzeitig wird das Aktiv-Pulver über eine Differentialdosierwaage ebenfalls überwacht und geregelt in der richtigen Proportion eindosiert. Die MHD 2000 von Ika ist für ein solches Verfahren geeignet.

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In diesem Inline-Dispergiergerät werden die Produktkomponenten in kleinstem Volumen unter hoher Intensität gemischt, dispergiert und ausgetragen. Der Durchsatz wird bestimmt durch die zuführenden Dosiersysteme für die flüssige Phase und den Feststoff. Die Mischintensität wird vorgegeben durch die Drehzahl und Wahl des dem Produkt anpassbaren Dispergierwerkzeugs. Durch die Prozessführung in einer Passage wird mit minimaler Temperaturerhöhung und höchster Effizienz das fertige Produkt hergestellt. Die vollkontinuierliche Betriebsweise eliminiert Materialverluste und Reinigungskosten. Vor längeren Stillständen wird die Gesamtanlage einfach mit Lösungsmittel im CIP-Verfahren gereinigt.

* Der Autor ist Director Product Management, IKA-Werke GmbH & Co. KG, Staufen.

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