Prozesstechnologie für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien

Der Bedarf an Lithium-Ionen-Akkus steigt. Während aktuell rund 80% des Weltmarkts an Lithium-Ionen-Akkus in China produziert werden, könnte sich Deutschland in den nächsten Jahren zum Global Player in der Lithium-Produktion entwickeln. Mit neuen Gewinnungsverfahren und dem Automotive-Sektor als Haupttreiber soll in den kommenden Jahren in Deutschland eine Zellproduktionskapazität von 180 GWh entstehen. Damit wäre Deutschland bis zum Jahr 2025 hinter China auf Platz 2 der weltweit führenden Länder.

Herstellung der Elektrodenpaste – die Prozesstechnik entscheidet über die Qualität

Entscheidender Prozessschritt bei der Herstellung einer solchen Batteriezelle ist die Fertigung der Elektrodenpaste. Für die Kathode wird eine Kupferfolie verwendet, die mit einer Schicht auf Lithiumbasis versehen wird. Dabei werden auf Basis des Aktivmaterials Lithium in einer festen Reihenfolge Leitadditive, Binde- und Lösemittel zudosiert und homogen gemischt.

In einer Batch-Produktion findet die Mischung in einem entsprechenden Tank statt, der mit einem Rührwerk ausgestattet ist. Eingesetzt werden hier die Rührwerke von Chemineer, die für den Lithiumprozess mit helix- oder schaufelförmigen Flügelrädern ausgelegt werden. Die Chemineer Rührwerke können auf unterschiedliche Baugrößen ausgelegt werden. Durch groß dimensionierte Wellen erfolgt eine effiziente und zuverlässige Kraftübertragung auf das Rührwerk, das durch verschiedene Dichtsysteme von der Atmosphäre getrennt wird.

Das lithiumbasierte Aktivmaterial wird zunächst in einem Trockenprozess gemischt und dann durch Löse- und Bindemittel zu einer viskosen Paste angereichert. Das Aktivmaterial zeichnet sich durch einen hohen Trockensubstanzanteil mit entsprechend abrasiven Eigenschaften aus. Zum Fördern eignen sich Doppelmembranpumpen sehr gut. Die Druckluftmembranpumpen von Sandpiper verfügen über einen speziellen Ventilaufbau aus Edelstahl. Alle Komponenten, die mit dem Fördermedium in Berührung kommen, werden mit chemisch resistenten Werkstoffen ausgelegt, so dass die Elektrodenpaste nicht kontaminiert werden kann.

Zum Dosieren von Bindemittel, Lösungsmittel und anderen chemisch reaktiven Additiven werden Schlauchdosierpumpen eingesetzt. Durch integrierte Steuerungseinheiten mit Netzwerkkonnektivität lassen sich die Schlauchpumpen des Herstellers Blue-White auf präzise definierte Kleinstmengen programmieren. Der auf die Chemikaliendosierung spezialisierte Hersteller bietet Schläuche aus unterschiedlichen Werkstoffen für die gewünschte Eigenschaft. Für die chemische Dosierung sind Schlauchpumpen von Blue-White und realAx als trockenlaufende Pumpentechnologie besonders zuverlässig. Die Pumpen arbeiten selbstansaugend und unempfindlich gegenüber Gaseinschlüssen. Deckel und Rotor sind für den Schlauchwechsel leicht zugänglich positioniert, der interne Zähler warnt rechtzeitig, bevor eine Wartung ansteht. Durch die Netzwerkanbindung kann das aktuelle Leistungsniveau der Pumpe auch aus der Ferne beobachtet und eingestellt werden.

Wenn die Elektrodenpaste in der weiteren Verarbeitung einen mechanischen Filter durchlaufen soll, werden Verdrängerpumpen mit höheren Druckstufen eingesetzt. Aufgrund der abrasiven Eigenschaften der Elektrodenpaste sind in diesem Fall Exzenterschneckenpumpen eine gute Wahl. Die Pumpen von NOV Mono verfügen über eine große Widerstandsfähigkeit gegenüber partikelbeladenen Medien und erzeugen die nötige Volumen- und Druckleistung, um auch in anspruchsvollen Prozessen eingesetzt zu werden.

Recycling von Lithium-Ionen-Batterien

Ein wichtiger Schritt im Produktkreislauf ist die Rückgewinnung wertvoller Rohstoffe aus alten Batterien. Auch wenn Kobalt aktuell der teuerste Rohstoff in einer Lithium-Ionen-Batterie ist, wird Lithium eine große Preissteigerung vorhergesagt. Die weltweiten Vorkommen sind begrenzt und der Abbau gestaltet sich oft schwierig und ressourcenintensiv. Ein durchdachter Recyclingkreislauf ist deshalb unumgänglich.

Rückgewinnung der Rohstoffe mit chemischen Verfahren

In einem ersten Schritt werden die Batterien mechanisch zerkleinert und grob gefiltert. Nach der Trennung von Kunststoff und Metallteilen bleibt als „schwarzes Pulver“ das Aktivmaterial der Batteriezelle, vorwiegend bestehend aus Lithium und Graphit, zurück. Durch metallurgische bzw. chemische Verfahren können daraus wieder die Rohstoffe zur Herstellung neuer Batteriezellen gewonnen werden.

Je nach Verfahren entsteht im Verlauf der chemischen Trennung ein Metalloxidgemisch, das einem mechanischen Filter zugeführt wird. Durch den hochabrasiven Charakter dieser Flüssigkeit eignen sich für die Zuführung zum Filter vor allem Druckluftmembranpumpen. Die Heavy-Duty-Modelle von Sandpiper sind mit ihrer dickwandigen Gehäusekonstruktion, den verstärkten Membranführungsstiften und der umweltsicheren Doppelmembran-Bauweise besonders zuverlässig in anspruchsvollen Anwendungen wie dieser.

Zur Dosierung von Fällmitteln werden Heavy-Duty Schlauchpumpen benötigt, die mit mehrfach verstärkten Schläuchen, Hochleistungsrotoren und Halar-beschichtetem Gussgehäuse ausgestattet sind. Die Schlauchpumpen von realAx verfügen über die nötige Förderleistung und entsprechend zuverlässige Komponenten, um abrasive Chemikalien in großem Prozessmaßstab zu dosieren.

Auslegung der Prozesskomponenten als Schlüssel zum Erfolg

Die Herstellung von Lithium-Ionen-Batteriezellen und deren Recycling ist eine Technologie, der besonders auf dem deutschen Herstellermarkt schon mit bedeutenden Investitionen begegnet wurde. Ein Trend, der in den kommenden Jahren noch weiter an Dynamik zunehmen wird. Die richtig ausgelegten Prozesskomponenten entscheiden über Effizienz und damit den Erfolg der Anlage. Eine erfahrene und herstellerübergreifende Beratung im Bereich Fluid-Handling-Equipment kann hier der Schlüssel sein.

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