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Aufgrund der positiven Aussichten für Elektrofahrzeuge und der hohen Nachfrage nach Unterhaltungselektronik und tragbaren Geräten aller Art boomt der weltweite Batteriemarkt. Doch die Batteriehersteller stehen unter starkem Druck, denn die Nutzer von Batterien wünschen sich heute ein schnelleres Aufladen, eine längere Batterielaufzeit und eine insgesamt längere Lebensdauer von Batterien. Gleichzeitig sind immer kleinere und kompaktere Batterien mit höherer Energiedichte gefordert, die zuverlässig und sicher sein sollten.
Als eines der führenden Unternehmen im Bereich Pulververarbeitung ist Hosokawa Micron gut positioniert, um Batterieherstellern zu helfen, diesen Herausforderungen zu begegnen und einen Wettbewerbsvorteil zu erzielen. Gemeinsam mit seinen Schwesterunternehmen in der weltweit tätigen Hosokawa-Gruppe bietet es hochwertige Anlagen für verschiedenste Prozessschritte bei der Batteriefertigung sowohl für die Produktion als auch für Forschung und Entwicklung an.
Hohe Flexibilität beim Trocknen
Der erste Schritt, bei dem die Maschinen von Hosokawa Micron eingesetzt werden können, ist die Trocknung und Zerkleinerung von Aktivmaterialien oder Vorstufen wie Nickel-, Mangan- und Kobaltoxiden für die Batteriekathode. Der DMR-Flash-Trockner eignet sich sehr gut für das kontinuierliche Trocknen der Aktivmaterialien. Er kann Endfeuchten von unter 1 % erreichen und ist flexibel genug für Schlämme und Filterkuchen.
Ein Sichter im oberen Trocknerbereich sorgt dafür, dass nur die Partikel mit der richtigen Feuchtigkeit in den Abscheidefilter gelangen. Die Dispergierscheibe im Gehäuse zerkleinert die größeren Partikel. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche der Agglomerate. So kann die Flüssigkeit besser verdampfen und die Trocknungseffizienz erhöht sich. Die Hersteller sparen sich dadurch Zeit und Energie, außerdem brauchen sie durch die kleine Stellfläche weniger Platz.
Ein kontinuierlicher Trocknungsprozess ist für die meisten Batteriehersteller die beste Lösung. Wenn noch niedrigere Restfeuchten erreicht werden müssen oder die erforderliche Kapazität gering ist, kommt der diskontinuierliche Nauta-Vakuumtrockner zum Einsatz. Und im Falle problematischer flüchtiger Stoffe ist es möglich, den konischen Paddeltrockner CPD mit Temperaturen von bis zu 325 °C mit vollem Vakuum zu kombinieren, um extrem niedrige Feuchtigkeitsgrade zu erreichen.
Ultrafeines Mahlen der Aktivpulver
Für eine optimale Batterieleistung müssen die Aktivmaterialien in Batterien eine genau definierte Partikelgrößenverteilung und eine geringe Partikelgröße aufweisen, um eine größere Oberfläche zu schaffen. Dies wird durch ultrafeines Mahlen der Aktivpulver erzielt, was zu einer höheren nutzbaren Kapazität, schnellerem Aufladen und einer längeren Lebensdauer der Batterie führt.
Über seine Schwesterunternehmen in Deutschland und den USA kann Hosokawa Micron verschiedene Mahllösungen liefern. Die gängigsten Mühlen für die Batterieindustrie sind die Sichtermühle ACM und die Fließbett-Gegenstrahlmühle AFG. Beide gewährleisten eine extrem feine und enge Partikelgrößenverteilung. Sie eignen sich nicht nur für Kathodenmaterialien wie Lithium-Kobalt-Oxid oder Vorstufen auf Manganbasis, sondern auch für die Anodenmaterialien Graphit und Silizium.
Sphäroidisierung von Graphit
Außerdem bietet Hosokawa Möglichkeiten zur Sphäroidisierung von Graphit. Graphit hat von Natur aus eine geschichtete, planare Struktur und eine geringe Schüttdichte, was die Batteriekapazität stark verringert. Um die Batterieleistung zu verbessern, wird Graphit daher sphäroidisiert, d. h. abgerundet. Das erhöht seine Schüttdichte und Benetzbarkeit, sodass man mehr Material in das gleiche Volumen packen kann, um eine bessere Batterieleistung zu erzielen. Naturgraphit ist zwar preiswerter in der Beschaffung, aber synthetischer Graphit ist deutlich sphärischer und benötigt daher weniger Energie zur Rundung. Das spart wertvolle Zeit und Kosten beim Mahlprozess.
Hosokawa hat Maschinen zum Runden von synthetischem Graphit und Naturgraphit entwickelt. Für die Sphäroidisierung von synthetischem Graphit kommt die Sichtermühle Zirkoplex ZPS zum Einsatz. Naturgraphit lässt sich mit dem Alpine Particle Rounder APR abrunden. Die Maschine wurde speziell für diese Aufgabe entwickelt und führt ein neues Verfahren ein, das es ermöglicht, den Graphit effizienter zu nutzen. Gleichzeitig benötigt es weniger Maschinen als bisherige Verfahren. Das spart Platz und reduziert die Wartungs- und Energiekosten. Alle Mühlen können mit einem keramischen Verschleißschutz ausgestattet werden. Dies minimiert die Verunreinigung während des Mahlprozesses und gewährleistet somit die höchstmögliche Produktreinheit.
Beschichten mit hoher Scherkraft
Verringert man die Partikelgröße in den Vorstufen, um eine größere Oberfläche zu schaffen, verschlechtert das jedoch die Fließeigenschaften und führt zum „Verkleben“. Zum präzisen Mischen der feinen Partikel empfiehlt Hosokawa Batterieherstellern daher das Mischen mit hoher Scherkraft (Intensivmischen). Dafür sind die Chargenmischer Nobilta oder Cyclomix bzw. der Durchlaufmischer Modulomix geeignet. Diese Mischer erzeugen eine homogene Mischung der Materialien. Zudem lassen sich die Vorstufenmaterialien auch rundum stabil mit Ruß und Bindemitteln beschichten, um die Leitfähigkeit zu optimieren.
Für eine noch bessere Batterieleistung werden die Partikel des Beschichtungsmaterials durch mechanische Fusion im Mechanofusion-Hochenergiemischer mit ultrahoher Scherkraft in das Vorstufenmaterial eingebettet. Bei einer höheren Scherkraft geht man jedoch immer einen Kompromiss ein: Sie ist nicht für alle Produkte geeignet, erhöht den Energieverbrauch und man kann weniger Material verarbeiten. Man muss also die optimale Scherkraft finden, die die Anforderungen des jeweiligen Anwenders erfüllt. Alle Mischer sind optional mit einer verschleißfesten Oberflächenbeschichtung erhältlich, die für maximale Reinheit der Aktivmaterialien sorgt.
Ist keine hohe Scherkraft erforderlich, kommen die bewährten Nauta-Mischer zum Einsatz. Dieser sanfte aber hocheffiziente konische Schneckenmischer lässt sich beispielsweise für die Chargenhomogenisierung oder die Chargenanpassung nach dem Mahlen sowie als Vorlage-Silo für die Beschickung der Mahl- oder kontinuierlichen Trocknungsanlagen einsetzen.
Große Testzentren
Aufgrund der Komplexität der Batterieproduktion sind oft zahlreiche Versuche nötig, bis die richtige Lösung gefunden ist. Dies ist in dem 3000 m2 großen Testzentrum von Hosokawa Alpine in Deutschland und dem 2000 m2 großen Testzentrum bei Hosokawa Micron in den Niederlanden möglich.
Sämtliche Maschinen sind nach den europäischen Normen einschließlich Atex und CE zertifiziert. Je nach Produkt und der erforderlichen OEB-Stufe (Occupational Exposure Banding) wird eine Downflow-Kabine zum Containment für den Produktaustrag oder geteilte Absperrklappen angeboten. Dies gilt auch für Festkörperbatterien, die unter extrem trockenen Luftbedingungen hergestellt werden müssen.
Asecos GmbH, Gründau
Halle 12.0, Stand D100
Hosokawa Micron B.V., Doetinchem, Niederlande
Autor: Dr. Dion Smink
Verfahrenstechniker,
Hosokawa Micron
Autor: Allet Krug-Polman
Senior Application Engineer, Hosokawa Micron
