Dosierung bringt Ladekapazität

Dosierpumpen optimieren Kathodenmaterial für Lithiumionenbatterien

Anlagenbau
Chemie
Pharma
Ausrüster
Planer
Betreiber
Einkäufer
Manager

06.02.2018 Dosiersysteme sichern bei der Produktion von lithiumhaltigen, ternären Oxidsystemen die notwendige Qualität für diese wichtigen Vorprodukte von Lithium-Leistungsbatterien. Dies ermöglicht eine hohe Energiedichte, lange Lebensdauer und eine hohe Anzahl an Ladezyklen.

Anzeige

Entscheider-Facts für Betreiber

  • Da die Vorprodukte stark die Kathodeneigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen, gelten bei der Herstellung dieser Mischoxide hohe Qualitätsanforderungen.
  • Dosiersysteme mit entsprechend präzisen Pumpen sowie Sensoren und Regelkreisen können in den komplexen Produktionsprozessen nicht nur die Rohstoffe mit ausreichender Genauigkeit zusetzen, sondern auch Reaktionsbedingungen wie den pH-Wert kontrollieren.

Lithium ion 18650 size industrial high current batteries

Bild: Bokeh Art Photo – Fotolia

Batterieherstellung_gamma_X_CN

Die Dosierpumpen der Serie Gamma/ X von Prominent ermöglichen die präzise Dosierung von Roh- und Zusatzstoffen in der NCM-Produktion. Bild: Prominent

Batterieherstellung_gamma_X_3_CN

Gegendruck- und Sicherheitsventile, Pulsationsdämpfer, Strömungswächter sowie magnetische Durchflussmessgeräte sind integriert, ein Leitsystem überwacht die Dosierung. Bild: Prominent

Im Bereich Elektromobilität und in der Batterienproduktion hat Asien die Nase vorn. Die führenden Batterietechnik-Nationen sind vor allem Japan und Korea, gefolgt von China. Das Reich der Mitte ist größter Hersteller von Elektro-Zweirädern und investiert stark in elektrisch betriebene Fahrzeuge. Um das angestrebte Ziel der Weltmarktführerschaft im Bereich Elektromobilität zu erreichen, erweitert und verbessert China seine Batterieproduktionskapazität sowohl kontinuierlich als auch technologisch. Die Nachfrage wird dabei zunehmend von Produkteigenschaften wie Langlebigkeit und höherer Energiedichte sowie verbesserter Umweltverträglichkeit bestimmt.

Strenge proportionale Steuerung nötig

Auf die Herstellung der notwendigen ternären Vorprodukte haben sich verschiedene Unternehmen in China spezialisiert. Diese Vorprodukte spielen eine wesentliche Rolle bei der Herstellung der Speichermaterialen für Lithiumionenbatterien. Zu den wichtigsten dieser Speichermaterialien zählen Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide (NCM). Dies sind Mischoxide des Lithiums, Nickels, Mangans und des Cobalts.

Ternäre Vorläufer für NCM werden hauptsächlich durch Reaktions- und Fällungsprozesse mit NaOH als Fällungsmittel und Ammoniak als Komplexbildner hergestellt. Wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ist seine einfachere Steuerung, mit der sich das Aussehen des Vorproduktes, die Partikelgröße, die spezifische Oberfläche und Klopfdichte beeinflussen lässt. Diese Parameter haben einen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften des gesinterten Kathodenendprodukts. Bei der Produktion sind verschiedene aufeinanderfolgende Produktionsprozesse notwendig. Die einzelnen Prozesse erfordern eine strenge proportionale Steuerung der Reaktanten. Sie beeinflussen maßgeblich die endgültige Produktqualität.

Pumpen und Sensoren regeln Dosierleistung

Zur genauen Kontrolle dieses Prozesses hat der Pumpenhersteller Prominent bereits über 300 Dosierpumpen, Sensoren und Controller an verschiedene NCM-Hersteller in China geliefert. Dazu gehören unter anderem Dulcotest-Sensoren, Mess- und Regelgeräte Dialog Daca, Magnet-Membrandosierpumpen Gamma / X für Laboranwendungen, Motor-Membrandosierpumpen Sigma und Hydraulik-Membrandosierpumpen Hydro für die Produktion hoher Stückzahlen sowie verschiedene Schlauchpumpen sowohl für den Einsatz im Labor als auch in der Produktion.

Für den sicheren Betrieb sind in den Dosiersystemen Gegendruck- und Sicherheitsventile, Pulsationsdämpfer, Strömungswächter sowie magnetische Durchflussmessgeräte integriert. Automatisch wird die Dosierung über ein Leitsystem überwacht. Ein PID-Regler passt die Dosierleistung entsprechend an. Der gemessene Durchfluss wird vom Mess- und Regelgerät zur exakten Ansteuerung der Pumpen einbezogen.

Richtige Menge zur richtigen Zeit

Bei der Produktion von NCM kommunizieren die Dosierpumpen in bis zu 15 verschiedenen Prozessschritten mit Sensoren und setzen, gesteuert über das Leitsystem, genau die richtige Menge zur richtigen Zeit zu. Sie dosieren beispielsweise die einzelnen löslichen Metallsalz-Mischungen mit Nickel-, Cobalt- und Mangan-Anteilen in kundenspezifisch vorgegebenen Mengenverhältnissen so lange, bis eine Lösung mit einer genau definierten Gesamt-NCM-Ionenkonzentration vorliegt. Auch Verunreinigungen durch Calcium- und Magnesiumionen in der NCM-Lösung lassen sich entfernen: Durch Dosieren von Fluorid und anschließendes Filtern, Konzentrieren und Auskristallisieren.

Bei der Synthese mit einer Reaktionsdauer von rund 24 h fügen die Dosierpumpen exakte Mengen von NaOH- und Ammoniak-Lösungen für eine stabile Hydroxid- oder Carbonat-Co-Fällung hinzu. Weitere Pumpen halten den pH-Wert im Reaktor über diesen langen Zeitraum konstant. Zum Abschluss des Prozesses bilden sich Produkt­partikel im µm-Bereich. Diese werden sedimentiert und bei bis zu 150 °C getrocknet. Rund 15 bis 20 h später lassen sie sich als ternäres Vorprodukt entnehmen. Die geforderte Form, Größe und Materialeigenschaften der Vorläufer werden durch weitere Prozessschritte entscheidend beeinflusst.

Weitere CT-Artikel zum Thema Dosiertechnik.

Heftausgabe: Januar-Februar/2018

Über den Autor

Michael Birmelin, Marketing-Redakteur, Prominent
Loader-Icon