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Membrandosierpumpen im Einsatz in der Batterieherstellung

Genaues Dosieren gefordert
Membrandosierpumpen im Einsatz in der Batterieherstellung

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Lithiumhaltige, ternäre Oxidsysteme garantieren bei Lithium-Leistungsbatterien eine hohe Energiedichte, lange Lebensdauer und eine hohe Anzahl an Ladezyklen. Die Qualität der dafür notwendigen Vorprodukte ist von einer genauen und synchronen Dosierung unterschiedlicher Chemikalien abhängig. Eine Schlüsselrolle spielen dabei die Membrandosierpumpen der Serien Gamma/X und Sigma X von Prominent.

Die Nachfrage nach Lithium-Batterien
im Bereich Kommunikation, Werkzeug, Automobil und Energiewirtschaft ist stark. Immer leichter werdend und mit hoher Energiedichte verdrängen sie schwere
Blei- oder Nickel-Cadmium-Batterien aus diesen Anwendungen.

Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien können den Anforderungen für die Elektromobilität und stationäre Speicher als neue Generation von Lithium-Batterien nicht gerecht werden. Lithium-Ionen-Batterien mit speziellen Kathodenmaterialien lösen Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien ab. Die neuen Energiepakete, weisen bei einer hohen Energiedichte eine lange Lebensdauer und eine hohen Anzahl an Ladezyklen bei größtmöglicher Sicherheit auf. Diese Eigenschaften lassen sich mit lithiumhaltigen Kohlestoffverbindungen als Anode und einem lithiumhaltigen ternären Oxidsystem als Kathode realisieren. Pro Jahr erwarten die Marktforscher ein überdurchschnittliches Wachstum.

NCA-Verbindungen

Dazu werden ternäre Vorprodukte (Perkusoren) verwendet. Sie werden hauptsächlich durch Reaktionen von Nickel-, Cobalt- und Mangan-Lösungen über Hydroxid- oder Carbonat-Fällungen hergestellt. Dabei wirkt Natriumhydroxid als Fällungsmittel und Ammoniak als Komplexbildner. Für spezielle Anwendungen ersetzt man Mangan- durch Aluminium-Lösungen und erhält NCA-Verbindungen.

NCM- oder NCA-Vorprodukte erhält man, indem unterschiedliche Lösungen in exakt vorgegebenen Mengen, in einem bestimmten Zeitrahmen, bei vorgegebenen Temperaturen unter gleichbleibenden Bedingungen gemischt werden und entsprechend reagieren. Die Reaktionen der Chemikalien beeinflussen die entscheidenden Eigenschaften der Vorprodukte, wie die Partikelgröße und ihre spezifischen Oberfläche. Eine streng proportionale Steuerung der Reaktanten bestimmt direkt die endgültigen ternären Materialeigenschaften und deren Qualität sowie Reinheit der gesinterten ternären Lithium-, Nickel-, Cobalt- und Mangan (NCM) Verbindungen.

Um eine exakte und vor allem reproduzierbare Qualität der Perkursoren zu erzielen, werden zunehmend intelligente High-End-Dosierpumpen eingesetzt. Sie gewährleisten die für die Reaktion notwendige, exakte Dosierung der einzelnen Schwermetalllösungen in allen Produktionsschritten.

Aufgabe der Dosierpumpen

Eine typische Produktion für ternäre Vorprodukte besteht aus bis zu 15 unterschiedlichen Prozessschritten. In den einzelnen Prozessen dienen Magnet-Membrandosierpumpen sowie Motor-Membrandosierpumpen zur genauen Dosierung von Fluorid, der Flüssigmetalllösungen mit Nickel-, Cobalt- und Mangananteilen sowie Natriumhydroxid (NaOH) und Ammoniak.

Beim wesentlichen Prozessschritt, der Synthesereaktion, wird Reinstwasser und Ammoniak als Basisflüssigkeit zudosiert. Abhängig vom pH-Wert, dosieren beispielsweise drei Membrandosierpumpen synchron die unterschiedlichen Flüssigmetalllösungen mit rund 5 bis 20 l/min. Eine NaOH-Lösung wird ebenso zudosiert und im Reaktor mit den Metallionenlösungen vermischt. Weitere Pumpen dosieren Fällmittel mit rund 10 bis 40 l/min. Der ursprüngliche pH-Wert in der Lösung wird während der gesamten Reaktion einschließlich aller Dosier- und Mischvorgänge aufrechterhalten.

Nach einer Reaktionsdauer von rund 24 h wird der pH Wert langsam in Hundertstel-Schritten (0,01 pH/H) auf einen definierten pH-Wert abgesenkt. Dies erfolgt durch eine absolute genaue Zugabe von NaOH.

Angepasstes Dosierverhalten

Hierfür sind die Magnet-Membrandosierpumpen der Baureihe Gamma mit geregeltem Magnetantrieb ideal. In ihren Leistungsbereichen von 2,3 bis 45 l/h bzw. von 8 bis 80 l/h bei 25 bis 2 bar kann genau die notwendige Menge exakt eingestellt und dem Prozess zudosiert werden.

Ihre modellbasierte Magnetregelung erfasst variierende Druckverhältnisse und passt ihr Dosierverhalten vollautomatisch und präzise an die aktuell vorliegenden Bedingungen an. D. h.: Die Pumpen dosieren stets genau die geforderte Menge der Chemikalie – und das ohne zusätzliche Sensoren. Im Vergleich zu anderen Dosierpumpen werden damit unnötige Fehlerquellen ausgeschlossen.

Intuitive Bedienung

Entscheidend für einen fehlerfreien Betrieb sind eine intuitive Bedienung und einfache Programmierung aller notwendigen Parameter der Pumpe. Eine minimalistische Anzahl an Bedienelementen bei der Gamma-Pumpe gewährleistet ein schnelles Verstellen der einzelnen Parameter, wie der Hublänge, der Frequenz und dem Dosierprofil. Ein Click Wheel sowie einige Drucktasten reichen aus, um schnell auf unterschiedlichen Menü-Ebenen auf Parameter oder Funktionen zuzugreifen. Die Vorgabe der Dosierleistung in l/h vermeidet umständliches Umrechnen und lässt sich schnell und einfach einstellen. Die Hublänge ist elektronisch
im Bereich von 0 bis 100 % einstellbar.

Ein weiterer Vorteil der geregelten Pumpen ist ihre kontinuierliche Dosiercharakteristik, die eine sehr gute Durchmischung der einzelnen Reaktanten gewährleistet: Lang gestreckte Dosierhübe sorgen bei der mengenproportionalen Dosierung der Chemikalien in den Hauptstrom für eine gleichmäßige Verteilung. Statische Mischer werden dadurch eingespart.

Nach abgeschlossener Reaktion und ph-Senkung haben sich Produktpartikel mit einer durchschnittlichen Größe von wenigen µm gebildet. Sie werden nach mehrmaligem Waschen sedimentiert, bei Temperaturen bis 150 °C getrocknet und können nach einem Tag als ternäres Vorprodukt entnommen werden.

Angepasstes Bewegungsprofil

Abhängig von der Größe der Reaktoren werden auch Mengen benötigt, die die Leistungsbereiche der Gamma-Baureihe übersteigt. In diesem Fall kommen Motor-Membrandosierpumpen Sigma X zum Einsatz. Je nach Ausführung stellen sie eine genaue Dosierung im Bereich bis zu 117 l/h (Sigma1), 353 l/h (Sigma2) oder 1040 l/h (Sigma3) sicher.

Sie weisen das gleiche einheitliche Bedienkonzept mit Click-Wheel und vier zusätzlichen Bedientasten auf, wie die Gamma-Pumpen. Ebenso bieten sie eine genaue und komplikationsfreie Dosierung der Medien durch ihren großen Verstellbereich mittels Kombination von Frequenz- und Hublängenverstellung sowie Anpassung ihres Bewegungsprofils.

Echtzeit-Kommunikation

Produktionsprozesse, wie die Herstellung ternärer Vorprodukte für Batterie-Kathodenmaterialien, sind für Betreiber sehr anspruchsvoll. Es gilt, über eine lange Zeitdauer optimale Bedingungen einzuhalten, die von unterschiedlichen Dosiervorgängen abhängig sind. Immerhin muss über die gesamte Produktionsdauer kontinuierlich die exakte Menge unterschiedlicher Lösungen in Echtzeit zu dosiert werden. Das erfordert eine direkte Kommunikation mit entsprechenden Sensoren und dem Leitsystem. Integrierte Profibus- und CANopen-Schnittstellen sorgen für eine einfache Anbindung an Prozessleitsysteme. Als smarte Produkte können die Membrandosierpumpen Gamma/X und XL, sowie die Sigma X mit der webbasierten Fluidmanagementplattform Dulconnex verbunden werden. Das gewährleistet eine einfache Überwachung, Analyse und Optimierung der einzelnen Dosierprozesse. Jeder einzelne Dosiervorgang lässt sich in Echtzeit überwachen. Stillstandzeiten und der Verbrauch der eingesetzten Rohstoffe werden auf diese Weise minimiert. Das Resultat: Eine gleichbleibend hohe Qualität der ternären Vorprodukte gewährleistet Batterien mit hoher Energiedichte und langer Lebensdauer.

Prominent GmbH, Heidelberg


Autor: Michael Birmelin

Marketingredakteur,

Prominent

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