Um die Jahrtausendwende belief sich der weltweite Absatz von Lithium-Ionen-Batterien auf etwa 2 GWh, die fast vollständig in elektronischen Geräten verbaut wurden. Zwei Jahrzehnte später hat die Nachfrage rund 185 GWh erreicht, wobei E-Mobilitätsanwendungen allein eine Nachfrage von etwa 100 GWh generieren. In zwei Jahren rechnen Experten mit einer Verdoppelung auf 420 GWh und im Jahr 2030 wird die Nachfrage schätzungsweise auf über 2000 GWh steigen – ein tausendfacher Anstieg in drei Jahrzehnten.
Diese bemerkenswerten Zahlen veranschaulichen eine einfache Tatsache: Angetrieben durch den Übergang zu kohlenstoffarmen Formen des Transports und der Stromerzeugung wird in den kommenden Jahren ein Vielfaches an Lithium-Ionen-Batterien benötigt. Um die wachsende Nachfrage zu bedienen, muss die Produktion von Kathodenpulvern nachziehen. Gleichzeitig wollen Batteriehersteller und die von ihnen belieferten Firmen – allen voran die Automobilbranche – die Batterieleistung steigern. Die Qualität der Batterierohstoffe ist einer der Schlüssel, um dieses Ziel zu erreichen.
Vielzahl an Kathoden-Aktivmaterialien
Wenn es um Investitionen in Anlagen geht, sehen Kathodenpulverhersteller daher die Notwendigkeit, den Output zu erhöhen und zugleich die Produktqualität in Einklang mit den strengen Qualitätsspezifikationen der Batteriehersteller zu bringen. Zudem müssen die Batterien so nachhaltig und kosteneffizient wie möglich produziert werden, um sicherzustellen, dass der Übergang zu Elektromobilität und erneuerbarer Energie effektiv und erschwinglich ist. Dieser Balanceakt beruht auf Fertigungstechnologien, mit denen sich Kathodenpulver von gleichbleibend hoher Qualität schnell und mit geringem Energieaufwand produzieren lassen.
Den Batterieherstellern steht eine Vielzahl von Kathoden-Aktivmaterialien zur Verfügung. Das am weitesten verbreitete Rezept kombiniert Lithiumkarbonat (LiCO3) mit Nickel, Kupfer und Mangan, um ein Vorläufermaterial für Lithium-Nickel-Kupfer-Manganoxid (LiNiMnCoO2) herzustellen, das allgemein als NCM abgekürzt wird. Andere übliche Aktivmaterialien umfassen zum Beispiel Lithium, Kobalt und Oxid (LiCoO2) oder Lithium, Mangan und Oxid (LiMn2O4)
Präziser Einwellen-Pflugscharmischer
Das Mischen der Rohstoffe in einem horizontalen Einwellen-Pflugscharmischer ist der entscheidende erste Schritt zur Erzeugung dieser Vormaterialien. Diese Mischer stehen vor einer Reihe von betrieblichen Herausforderungen. Sie müssen eine konstante Produktqualität liefern, eine zuverlässige Mischung der Komponenten garantieren und Abrieb, Korrosion und Kontamination vermeiden. Idealerweise besitzen sie auch einen geringen Stromverbrauch, da sie oftmals rund um die Uhr laufen.
Der Einwellen-Pflugscharmischer WBH Lithium von MAP, der Mischersparte der WAM Group, ist eine Spezialmaschine für die Batteriemassenproduktion, um den hohen Anforderungen des Kathodenmarktes gerecht zu werden. Die Maschine wurde so konzipiert, dass keine Kontaminationen stattfinden und eine qualitativ hochwertige sowie effiziente Mischung erzielt wird.
Die Konstruktion des Mischers basiert auf folgendem Prinzip: Durch Form und Position des Mischwerkzeugs und der definierten Rotationsgeschwindigkeit der Mischwelle wird das Material im Inneren mechanisch fluidisiert. Dies gewährleistet eine vollständige Mischung von Materialien unterschiedlicher Partikelgrößen und Schüttdichten mit hoher Präzision in kürzester Zeit.
Design des Mischers im Detail
Um für die Batterieproduktion zugelassen zu werden, sind Verunreinigungen um jeden Preis zu vermeiden. Daher sind alle Teile und Zubehöre der Batteriemischer von MAP aus 1.4306- bzw. 1.4404-Edelstahl hergestellt sowie zink- und kupferfrei.
Auch die Hauptwellendichtung und die Entleerklappen sind an die hohen Anforderungen der Kathodenpulver-Massenproduktion angepasst. Die Dichtungen sind staubdicht und verhindern, dass giftiges mikronisiertes Pulver aus dem Mischer in die Umgebung austritt. Gleichzeitig unterbinden sie, dass Verunreinigungen in die Kathodenpulvermischung eindringen.
Die Innenflächen des Mischergehäuses sind mit technischer Keramik ausgekleidet, die vor chemischem Angriff und Abrieb schützen. Durch die Abmessungen und die Ausrichtung der Keramikkacheln ist der Verschleiß minimiert. Die Mischwerkzeuge und die Messerköpfe werden mit verschleißbeständigem Keramik-Thermospray geschützt. Außerdem dreht der Mischer langsamer als vergleichbare Maschinen, was den Verschleiß nochmals deutlich reduziert.
Dank einer speziell entwickelten Inspektions- und Wartungsklappe sind die WBH-Einwellen-Pflugscharmischer leicht zu reinigen und zu warten. Zudem erreichen sie durch die Kombination aus verschleißfesten Komponenten und Wartungsfreundlichkeit besonders lange Standzeiten.
Der Mischer ist mit Kapazitäten von 75 bis 25 000 l/Charge erhältlich. Die Leistung der Antriebseinheit ist dabei vergleichsweise niedrig, sie liegt z. B. bei einem 3000-l-Mischer bei 75 kW. Dies begrenzt den Stromverbrauch. Weitere Vorteile: Die Produkttemperatur steigt während des Mischvorgangs nicht an und unabhängig von der Komplexität der Rezeptur sind kurze Mischzeiten von 20 bis 30 Minuten möglich.
Forschung und individuelle Lösungen
Neben dem Einwellen-Pflugscharmischer WBH liefert MAP auch den Bandwendelmischer WBN für die Nachmischung sowie spezielle Vibrationsaustragsböden für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien.
Mit über 1200 gelieferten Mischern für den Lithium-Ionen-Batteriemarkt hat MAP einen umfassenden Einblick in die Anforderungen an Mischer in der Batterieproduktion erhalten. Diese Erfahrungen fließen stetig in die Verbesserung der Mischer ein. Bevor das Unternehmen ein Angebot abgibt, analysiert es gemeinsam mit dem Anwender die Anforderungen und sucht nach der am besten geeigneten Technologie.
Die Fähigkeit, Lösungen gemäß der jeweiligen Anwendung zu individualisieren, ist auf dem Batteriemarkt besonders wertvoll, da zahlreiche Rohstoffe und Verfahren zum Einsatz kommen. Das Unternehmen arbeitet in diesem Bereich nicht nur mit mehreren Kunden, sondern im Verbund mit dem firmeneigenen, globalen Netzwerk von zehn Testlabors auch mit Universitäten und privaten Forschungsinstituten zusammen. Dadurch wird es bereits in einem sehr frühen Stadium in F&E-Bemühungen eingebunden.
Angesichts der optimistischen Prognosen für die Batterienachfrage in allen Regionen der Welt hat MAP eine separate Produktionslinie eingerichtet, um schnell auf Marktanforderungen reagieren zu können.
MAP Mischsysteme GmbH, Altlußheim
Halle 4, Stand 238
Autor: Martin Rudolf
Marketing Manager,
WAM
