Sichere und nachhaltige Förderung von Fluiden mit hoher Viskosität

Gerade in der Batterieproduktion sind neue Lösungen unverzichtbar, wenn es beispielsweise darum geht, Anoden- und Kathodenmaterialien zu fördern und genau zu dosieren. Einer solchen Herausforderung stellte sich Netzsch Pumpen & Systeme, ein globales Unternehmen, das sich auf das Herstellen von Verdrängerpumpen spezialisiert hat. Eines der größten Probleme ist die sichere Handhabung von Kathodenschlämmen, die das Lösungsmittel N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) enthalten. Idealerweise würde ein solch toxisches Lösungsmittel mit hermetisch abgedichteten Pumpen mit Magnetkupplung gefördert. Diese werden eingesetzt, um beim Pumpen von korrosiven, gefährlichen oder toxischen Flüssigkeiten Leckagen zu vermeiden. Dies unterbindet auch weitere Probleme, die beim Einsatz von herkömmlichen, mechanisch abgedichteten Pumpen auftreten können.

Mechanisch abgedichtete Pumpen sind üblicherweise mit Stopfbuchsen oder Gleitringdichtungen ausgestattet. Jedoch erfüllt eine Pumpe mit Stopfbuchse die Anforderungen an eine leckagefreie Pumpe nicht. Denn eine Pumpe mit doppeltwirkender Gleitringdichtung und Versorgungseinheit ist zwar leckagefrei, erfordert aber auch einen erhöhten Wartungs- und Kontrollaufwand. Für ein toxisches Lösungsmittel wie NMP ist daher eine Magnetkupplung die ideale Lösung, um die Anforderung an eine hermetisch abgeschlossene Pumpe zu erfüllen. Es gibt jedoch Nachteile bei proprietären Magnetkupplungen, die üblicherweise für Anwendungen angeboten werden, die eine Exzenterschneckenpumpe erfordern.

Grenzen von Magnetkupplungen

Exzenterschneckenpumpen werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen die zu pumpende Flüssigkeit abrasiv ist, feste Partikel enthält, viskos oder scherempfindlich ist oder die Anwendung eine genaue Dosierung vorschreibt. Insbesondere beim Handhaben von Batterieschlämmen zum Herstellen von Lithium-Ionen-Batterien ist die Flüssigkeit viskos. Die Viskosität bewegt sich normalerweise im Bereich von 8.000 bis 20.000 mPas, enthält feste Partikel und muss bei Beschichtungsanwendungen sehr exakt dosiert werden.

Die Kombination dieser Eigenschaften bedeutet, dass herkömmliche Magnetkupplungen, die dafür konzipiert sind, direkt mit einer Zentrifugalpumpe mit zwei- und vierpoliger Motordrehzahl gekoppelt zu werden, sich für diese Art von Anwendungen nicht eignen. Wenn eine Pumpe mit Magnetkupplung mit hohen Drehzahlen arbeitet, muss die gepumpte Flüssigkeit zirkulieren, um die Kupplung zu kühlen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Flüssigkeit durch Kühlkanäle in der Kupplung fließt. Diese haben einen geringen Durchmesser, weswegen Flüssigkeiten mit höherer Viskosität die Kanäle leicht verstopfen. Eine Exzenterschneckenpumpe, die ein Medium mit bis zu 20.000 mPas pumpt, läuft in der Regel mit Drehzahlen von etwa 100 bis 200 U/min. Dies sollte jedoch nicht als die maximale Viskositätskapazität für Exzenterschneckenpumpen betrachtet werden.

Batterieschlamm stellt hohe Anforderungen

Diese Bedingungen erfordern eine Magnetkupplung, die speziell auf die Anforderungen typischer Anwendungen beim Einsatz von Exzenterschneckenpumpen zugeschnitten ist. Darüber hinaus muss die eingesetzte Kupplung der Viskosität der Batterieschlämme gewachsen sein. Da die Drehzahlen der Exzenterschneckenpumpe geringer sind als beim Einsatz einer Zentrifugalpumpe üblich, ist keine übermäßige Wärmeentwicklung in der Kupplung zu erwarten. Es gab jedoch noch weitere Herausforderungen, für die eine Lösung gefunden werden musste: Dazu gehörte das Drehmoment, das die Kupplung übertragen muss.

Dem Hersteller für Verdrängerpumpen ist es gelungen, eine Magnetkupplung zu entwickeln, die den Anforderungen von Batterieschlammanwendungen gerecht wird. Die Pumpenlösung Nemo My ist hermetisch abgedichtet, verhindert, dass toxische Dämpfe entweichen und dass Luftblasen in den Schlamm eindringen. Dies ist bei Folienbeschichtungen besonders wichtig.

Die neu entwickelte Magnetkupplung verhindert zwar, dass Luft in das Produkt durch die Pumpe selbst eindringt, dennoch können Luftblasen in den Anoden- und Kathodenschlämmen aus dem Schlammaufbereitungsprozess vorhanden sein. Obwohl Entlüfter Luftblasen aus den Schlämmen entfernen können, haben Anwender die Erfahrung gemacht, dass gelegentlich Blasen in den Beschichtungsprozess gelangen. Die neu entwickelte Magnetkupplung bietet die Möglichkeit, bei korrekter Ausrichtung der Pumpe zusätzlich Luft direkt an der Magnetkupplung abzusaugen. Somit ist es mit sehr geringem Kapitalaufwand möglich, Anoden- und Kathodenschlämme blasenfrei zu beschichten – das verbessert die Qualität und senkt die Abfall- und Recyclingkosten. Um die Anforderungen der Atex-Vorschriften der Europäischen Union für explosionsgefährdete Bereiche zu erfüllen, können Anwender bei Bedarf einen Temperaturfühler an der Magnetkupplung anbringen.

Automatische Reinigung möglich

Stellen Anwender Batteriefolien im Chargenbetrieb her, müssen sie die Pumpe zwischen den Zyklen reinigen. Oftmals ist dies ein vollständig manueller Prozess mit entsprechendem Aufwand und Kosten.

Die Pumpe ist so konstruiert, dass sie automatisch gereinigt werden kann. Dies erforderte zusätzliche bauliche Veränderungen an der Pumpe, unter anderem einen Spülanschluss in die Magnetkupplung einzubauen.

Additiv gefertigte Kuppelstange

Für hygienische Anwendungen können Anwender ein Kuppelstangensystem mit offenen Gelenken und einer Edelstahlstange sowie Bolzen nutzen. Jedoch ist ein solches System für Batterieanwendungen aufgrund der abrasiven Beschaffenheit der Schlämme und der Gefahr einer Verunreinigung der Anoden- und Kathodenschlämme durch Metallpartikel nicht geeignet, da die Qualität des Endprodukts verschlechtert würde.

Daher ist ein Biegestab die naheliegende Wahl. Allerdings bringt der Einsatz eines herkömmlichen Biegestabs einen Nachteil mit sich: Der Biegestab besteht üblicherweise aus Metall, meist aus Titan oder rostfreiem Duplexstahl. Aufgrund der begrenzten Flexibilität muss dieser Biegestab länger sein als bei einer Kuppelstange mit Gelenksystem üblich. Bei einer automatischen Reinigung würde das größere Volumen im Pumpengehäuse aufgrund seiner größeren Länge zu einem höheren Produktverlust führen. Darum war eine Lösung erforderlich, die die Länge des Pumpengehäuses so weit wie möglich reduziert und gleichzeitig eine ausreichende Flexibilität der Kuppelstange bietet, um einen zuverlässigen Pumpenbetrieb zu ermöglichen.

Mit additiver Fertigung war es möglich, in kurzer Zeit Prototypen zu entwickeln und anschließend die endgültigen Produktkomponenten herzustellen. Mittels der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) haben die Ingenieurinnen und Ingenieure ein Kuppelstangen-Design entworfen und in die finale Konfiguration der Batteriepumpe integriert. Ziel war es, eine kürzere Kuppelstange zu entwickeln, die das Pumpengehäuse verkürzt, den mechanischen Belastungen standhält und den Anforderungen der automatischen Reinigung gerecht wird. Der Hersteller baute einen tangentialen Einlassanschluss ein, damit die Pumpe durch optimierte Strömungsbedingungen im Gehäuse besser zu reinigen ist.

Additiv gefertigte Statoren

Um die Anforderungen von Batterieschlamm-Anwendungen zu erfüllen, war auch ein neues Konzept für den Pumpenstator erforderlich. Normalerweise verfügen Exzenterschneckenpumpen über einen Stator aus einem Elastomermaterial. Aufgrund der chemischen Aggressivität einiger der in der Batterieherstellung verwendeten Flüssigkeiten – insbesondere des NMP für Kathodenschlämme – musste der Hersteller ein anderes Statormaterial verwenden.

In der Regel werden in Exzenterschneckenpumpen Statoren aus PTFE eingesetzt, welche mechanisch auf einer Drehmaschine hergestellt werden. Dabei wird das Innenprofil auf Maß gedreht. Da der Hersteller bereits den Biegestab erfolgreich additiv gefertigt hatte, beschloss er, den Stator ebenfalls mit diesem Verfahren herzustellen. Er entwickelte ein Design, das sowohl den Produktionsprozess genauer macht als auch die notwendige chemische Beständigkeit aufweist. Die Effizienz des neuen Stators ist hoch: Die Pumpe übertrifft bei Beschichtungsanwendungen wie dem Slot-Die-Coating die Genauigkeitsanforderungen in Bezug auf eine gleichmäßige Schichtdicke über die gesamte Folienlänge und -breite.

Keramikrotoren sind verschleißarm

Der Rotor muss ebenfalls sehr genau sein, was sowohl mit einem Metall- als auch mit einem Keramikrotor erreicht werden kann. Keramikrotoren bieten den entscheidenden Vorteil, dass die Verschleißfestigkeit deutlich höher ist und dass es keine Metallabrieb-Partikel vom Rotor in den Schlämmen gibt. Anwender können wählen, welche Rotor-Stator-Kombination für ihre Anwendung am besten geeignet ist. Denn sowohl Elastomer-Statoren als auch Statoren aus der additiven Fertigung sind mit dem abtrennbaren Statorsystem kompatibel.

Der Einsatz moderner Fertigungsverfahren ermöglichte es, eine Exzenterschneckenpumpe herzustellen, die eine Magnetkupplung, ein strömungsoptimiertes Gehäuse für die automatische Reinigung sowie additiv gefertigte Kuppelstangen und Statoren umfasst, um die hohen Anforderungen des Batteriemarktes zu erfüllen.