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LiB-Herstellung: Mischer für Labor und Gigafactory Partikeldesign maßgeschneidert

Von Dr. Stefan Gerl, Maschinenfabrik Gustav Eirich

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Bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien und anderen Energiespeichern müssen Mischer eine ganze Reihe an Anforderungen erfüllen: vom Funktionalisieren der Aktivmaterialpartikel bis hin zur Herstellung von Beschichtungsmassen sowie nassen bis trockenen Elektrodenmischungen. All diese Aufgaben übernimmt ein einziger Mischertyp.

Einfaches Scale-up von Labor bis zur Gigafactory bspw. vom universellen 1l-Labormischer bis zum 900l-Intensivmischer oder Mixsolver für die großtechnische Herstellung.
Einfaches Scale-up von Labor bis zur Gigafactory bspw. vom universellen 1l-Labormischer bis zum 900l-Intensivmischer oder Mixsolver für die großtechnische Herstellung.
(Bild: Eirich)

Die besondere mischtechnische Herausforderung, die allen Teilanwendungen im Bereich elektrischer Energiespeicher gemeinsam ist, ist die Verwendung von ultrafeinen Partikeln im Bereich kleiner als 50 µm bis hin zu Nanopartikeln. Eirich bietet mit dem einmaligen Funktionsprinzip seiner Mischer mit drehendem Mischbehälter sowie mit exzentrisch angeordnetem Mischwerkzeug bei all diesen Materialien vielfältige Aufbereitungsmöglichkeiten entlang der gesamten Herstellkette.

Wichtige Aufgaben

Haupteinsatzbereiche im Bereich der Produktion von Anoden- und Kathodenmaterialien sowie der Elektrodenfertigung sind:

  • Trockendispergieren und Homogenisieren von ultrafeinem pulverförmigem Metalloxid-Precursor mit Lithiumcarbonat oder -hydroxid zur nachfolgenden Synthese zu Kathodenmaterial wie bspw. NCM;
  • Funktionalisieren/Coaten von Aktivmaterialpartikeln mit pulverförmigen nanopartikulären Oxiden zur Optimierung der Zyklenstabilität oder mit Leitrußen als Zwischenprodukt für die Trockenelektrodenherstellung (DBE);
  • Mischen und Kneten von Koks und Pech bei Mischguttempera­turen von bis zu 250 °C für die nachfolgende Graphitisierung zu synthetischem Graphit;
  • Coaten von Graphitpartikeln mit mikroskaligem, pulverförmigem Pech zur Optimierung der Partikelsphärizität und der elektro­chemischen Eigenschaften der Anode;
  • Granulieren und/oder Coaten von Graphit mit siliziumhaltigen Pulvern oder Suspensionen zur Herstellung von Silizium-Graphit-Kompositen;
  • Suspendieren von pulverförmigen, binderhaltigen Elektroden­mischungen zur Herstellung von Beschichtungsmassen;
  • Schmelzgranulieren mit nachfolgender Granulatkühlung, z. B. von Elektrodenmischungen zur nachfolgenden Extrusion von Elektrodenfolien;
  • Fibrillieren und Strukturieren von PTFE-haltigen Elektroden­mischungen für die Herstellung von Trockenelektrodenfilmen durch bspw. Kalandrierung;
  • Aufbereiten von keramischen Separatoren für All-Solid-State-Batterien;
  • Granulieren von Elektrodenmischungen für die Herstellung von gepressten Elektrodenplatten für Salzwasserbatterien.

Alle Anforderungsprofile abbilden

Das Herzstück für vielfältigste Aufgaben (siehe Info­kasten) ist der Eirich-Intensivmischer, der sich für die Herstellung feststoffreicher, pastöser oder viskoser Beschichtungsmassen in seiner Ausführung als Mixsolver mit horizontal angeordnetem Mischbehälter eignet. Ein Neuzugang unter den Eirich-Labormischern ist der
Cleanline C5, ein multifunktionaler One-Pot-Prozessor, der alle Anforderungsprofile abbilden kann, die ein Entwickler an die genannten Aufgabenstellungen stellt.

Bildergalerie

Wie alle Eirich-Mischer hat der C5 einen rotierenden, in diesem Fall stufenlos neigbaren Mischbehälter mit exzentrisch angeordnetem, langsam bis schnell drehendem, laufrichtungsvariablem und leicht tauschbarem Mischwerkzeug. Der Wandabstreifer kann mit Kunststoffschneiden ausgerüstet und direkt an die Wand angestellt werden. So wird die Mischbehälterwand von anhaftendem Material freigehalten.

Bei der Entwicklung der Cleanline-Baureihe folgte Eirich konsequent dem Hygienic-Design-Gedanken. Der Mischerinnenraum ist schraubenfrei, es gibt keine Hinterschneidungen und Spalten. Sowohl Dichtungen als auch Werkzeuge können einfach entnommen werden. Das erleichtert und erweitert die Nutzung in Einsatz­bereichen mit dem Fokus auf ausgezeichneter Reinigbarkeit aber auch auf hygienesensiblen Anwendungen.

Eine um 180 Grad stufenlos abklappbare Mischbehälterabdeckung ermöglicht eine einfache Mischbehälterentnahme sowie die Reinigung und visuelle Inspektion von nicht bewegten Maschinenteilen. Der mit einem Doppelmantel temperierbare Mischbehälter für Mischguttemperaturen im Bereich 5 bis 95 Grad Celsius kann alternativ über einen Bajonettverschluss abgenommen oder über den Schwenkrahmen durch Auskippen in Behälter entleert werden. Durch Austausch des zylindrischen Eingreifschutzes aus Plexiglas durch einen vakuumfesten Edelstahlschutz kann die Aufbereitung unter Vakuum bzw. die Entgasung von Slurries oder das Trocknen von feuchten Pulvermischungen realisiert werden. Die optionale Ausführung als Atex-Mischer für Zone 1/21 ermöglicht die Verwendung von Pulver- oder Pulver- Lösemittel-Mischungen, die explosionsfähige Atmosphäre erzeugen können. Einmal im Labormaßstab optimiert, lassen sich die Rezeptur und der für den jeweiligen Prozess entwickelte Ablauf schnell und unkompliziert auf den Produktionsmaßstab übertragen.

Partikelcoating ist zentrale Grundoperation

Das Coaten von Partikelsystemen und das Suspendieren zur Herstellung nasser Elektrodenmischungen sind zentrale Grundoperationen, die bei der LiB-Herstellung im Fokus stehen. Wie bereits erwähnt, eignen sich Eirich-Intensivmischer in ihrer Ausführung als Eirich-Mixsolver mit horizontal angeordnetem Mischbehälter bestens für das Suspendieren, als Mischer mit geneigtem Mischbehälter jedoch ebenso gut für das Coaten, vor allem aber Granulieren von Partikelsystemen.

Das Coaten und damit Funktionalisieren von Aktivmaterialpartikeln mit unterschiedlichen nano-strukturierten Partikeln wie Aerosilen oder Leitrußen ist ein üblicher Zwischenschritt bei der Herstellung oder Nutzung von Aktivmaterialien. Sollen diese Prozesse vollständig trocken, ohne den Umweg über Suspensionen und Sprühverfahren erfolgen, braucht man Mischer, die hohe Scherraten in der Pulverschüttung erzeugen. Das von Eirich patentierte Mikrogranulationswerkzeug, das eigentlich für die Herstellung von sprühkornähnlichen Mikrogranulaten entwickelt wurde, zeigt auch bei dieser Aufgabenstellung eine hervorragende Performance. Das optimierte Scherfeld an den Werkzeugaussenkanten zerteilt bei entsprechend gewählter Werkzeuggeschwindigkeit die agglomerierten Nanopartikel so gut, dass diese an die Oberfläche der Aktivmaterialpartikel andocken können und diese innerhalb kürzester Zeit bestmöglich umhüllen. Makroskopisch äußerst sich diese Veränderung an der Partikeloberfläche durch merkliche Veränderung der Schütt- und Stampfdichte aber auch der Fließeigenschaften der Schüttung. Je nach gewählter Werkzeuggeschwindigkeit und Mischzeit können so auf einfachem Wege Partikelsysteme gezielt designt werden.

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Perspektiven für die LiB-Herstellung von morgen

Eirich-Mischer zum Coaten mit Aerosilen sind seit vielen Jahren mit Durchsätzen von einigen Tonnen pro Stunde in der Produktion im Einsatz. Mit Leitruß gecoatete Aktivmaterialien bilden die Grundlagen für die in der Entwicklung befindliche Trockenelektrodenherstellung (DBE), die den energieintensiven Beschichtungs- und Trocknungsprozess eliminiert. Erste Pilot- und Fertigungsanlagen, die auf dieses Konzept unter Nutzung von Eirich-Mischern setzen, sind bereits in Planung.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Eirich-Technologie mit Blick auf die Herstellung von Energiespeichern wie Lithium-Ionen-Batterien vielfältigste Möglichkeiten bietet. Sie gehen weit über die Herstellung von nassen oder trockenen Elektrodenmischungen hinaus und betreffen auch die vorgelagerten Prozessschritte. Davon werden Batteriehersteller auch in Zukunft profitieren, unabhängig davon, wohin die Reise bei der Weiterentwicklung der Batteriezellen gehen wird. Nur mit Flexibilität wird für jedes Anforderungsprofil die passende Lösung gefunden werden. 

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