Verkürzte Mischzeiten bei sensiblen Anodenmassen

Der Mischprozess ist der erste Schritt beim Herstellen von Lithium-Ionen-Batterie-Slurries und spielt eine entscheidende Rolle für die Qualität der Batterien. Er hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung der Zellen. Während dieses Prozesses werden Aktivmaterialien wie Graphit oder Silizium, Bindemittel und leitfähige Zusätze mit einem Dispersionsmittel, beispielsweise Wasser oder einem anderen Lösungsmittel, vermengt, um die Slurry zu bilden.

Die Mischwerkzeuge müssen die Partikel homogen über das gesamte Volumen verteilen und noch weitere Anforderungen erfüllen: Agglomerate aufbrechen, Partikel gleichmäßig benetzen und ummanteln sowie lokale Materialanhäufungen auf mikroskopischer Ebene vermeiden.

Derzeit setzen viele Batteriehersteller herkömmliche Planetenmischer, meist von asiatischen Anbietern, für das Mischen von Kathoden- und Anodenslurries ein. Diese Maschinen nutzen ähnliche Geometrien, und es gibt kaum nennenswerte Unterschiede in ihrem Design. Doch stellt sich die Frage: Ist diese herkömmliche Technik tatsächlich die effizienteste Methode, um Batteriemassen zu mischen?

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Eine branchenübliche Batterieproduktionsanlage

In einer Batterieproduktionsanlage wird der Mischprozess in zwei Linien aufgeteilt – eine für die Kathode und eine für die Anode. Besonders kritisch ist der Mischvorgang bei der Anode, da die höhere Viskosität und die empfindlichen Bindemittel und Aktivmaterialien ein schonendes und präzises Verarbeiten erfordern. Derzeit liegen die Mischzeiten typischerweise zwischen vier und sechs Stunden. Ein potenzieller Kunde teilte mit dem Anbieter von Mahl- und Dispergiertechnik Netzsch Feinmahltechnik in einem Validierungsprozess seine Erfahrungen mit einem koreanischen Hersteller, dessen Planetenmischer eine branchenübliche Gesamtmischzeit von 270 min (4,5 h) benötigte.

Dem Anbieter von Mahl- und Dispergiertechnik gelang es in Tests, diese Mischzeit signifikant zu reduzieren. Die Planetenmischer (Planetenmischer High Speed, kurz: PMH) des Anbieters mischten die Batterieslurry in 120 min und erzielten dabei eine bessere Qualität, welche durch Zelltests vom Kunden bestätigt wurde.

Mischwerkzeug mit sanfter Knetwirkung

Der PMH arbeitet mit einem Planetengetriebe, das eine optimales Durchmischen ermöglicht. Dabei rotieren die Mischwerkzeuge, die sowohl als langsam drehender Kreuzbalkenrührer als auch als schnell rotierendes Butterfly-Werkzeug ausgeführt sind, innerhalb eines stationären Behälters und durchdringen das gesamte Mischgut. Durch die vergrößerten Durchmesser der Mischwerkzeuge wird die Leistungsaufnahme gesteigert, was zu einem schnelleren, effizienteren und homogeneren Durchmischen führt. Dies verbessert nicht nur die Prozessgeschwindigkeit, sondern auch die Produktqualität. Im Vergleich zu herkömmlichen Planetenmischern zeichnen sich die Werkzeuge des PMH durch ihren deutlich größeren Durchmesser aus, was einen entscheidenden Vorteil in der Mischleistung bietet.

Neben dem Durchmesser spielt auch die Konstruktion der Mischwerkzeuge eine Rolle. Herkömmliche Planetenmischer können durch die hohen Scherkräfte ihrer Dispergierscheiben das empfindliche Bindemittel beschädigen. Die Mischwerkzeuge des PMH hingegen sind speziell so konstruiert, dass die Scherkräfte deutlich reduziert werden, was eine sanftere und schonendere Knetwirkung ermöglicht. Dadurch können die Mischwerkzeuge mit höheren Geschwindigkeiten betrieben werden, ohne die empfindliche Binderstruktur oder das Graphit-Silizium-Komposit im Batterieslurry zu beeinträchtigen.

Ein anschauliches Beispiel für den Nutzen dieser Technik zeigt sich beim Herstellen von Anodenslurry auf Wasserbasis. Diese Slurry enthält Carboxymethylcellulose (CMC), ein Bindemittel, das sich durch seine langen Polymerketten und seine hohe Molekülmasse auszeichnet. Bei herkömmlichen Planetenmischern, die Dispergierscheiben mit hoher Scherkraft verwenden, kommt es oft zu mechanischer Belastung, die die CMC-Ketten fragmentiert. Dieses Fragmentieren führt zu unerwünschten Viskositätsveränderungen, wie beispielsweise Scherverdickung, die die Slurry für nachfolgende Beschichtungsprozesse ungeeignet macht.

Was die Batterieindustrie noch von Pharma lernen muss

Der Aufstieg der Batterieproduktion ist zweifellos beeindruckend. Die Industrie steht jedoch noch vor großen Herausforderungen, was das Handling der gefährlichen Rohstoffe angeht. Dabei gibt es in der Pharmabranche dafür bereits etablierte Lösungen.

Die speziell entwickelten Mischwerkzeuge des PMH erzeugen dagegen eine sanftere, aber dennoch effiziente Knetwirkung. Dies verhindert den Abbau der CMC-Ketten, gewährleistet eine gleichmäßige Viskosität und fördert ein homogenes Durchmischen. Das Ergebnis ist ein gleichmäßiges Beschichten des aktiven Materials, was die Energiedichte der Elektrode verbessert und letztlich zur Produktion von Hochleistungsbatterien beiträgt. Diese Batterien zeichnen sich durch eine größere Reichweite und schnellere Ladezeiten aus – womit unterstrichen wird, welche zentrale Bedeutung eine optimale Slurry-Mischung für den Fortschritt der Batterietechnologie hat.

Insgesamt führt die erhöhte Leistungsaufnahme des PMH zu verkürzten Mischzeiten. Für Anodenslurries beträgt die Mischzeit nur noch 120 min, verglichen mit den herkömmlichen 4 bis 6 h. Bei der Kathodenmischung, die üblicherweise 480 min (8 h) in Anspruch nimmt, reduziert der PMH die Gesamtmischzeit auf 180 min (3 h).

Wie Viskosität und Qualität zusammenhängen

Der nächste entscheidende Schritt nach dem Mischen ist das Beschichten. Hierbei spielt die Fließfähigkeit der Slurries eine zentrale Rolle, um einen gleichmäßigen und verarbeitbaren Film auf der Stromabnehmerfolie zu erzeugen. Die Fließfähigkeit wird anhand der Viskosität gemessen.

Der Geschäftsbereich Analyse & Versuch des Anbieters von Mahl- und Dispergiertechnik ermittelt das Fließverhalten der Slurries mit dem Rotationsrheometer Kinexus. Besonders wichtig ist die Abhängigkeit der Viskosität von verschiedenen Scherraten, da sie Rückschlüsse auf die Qualität des Mischprozesses zulässt. Ein Schlüsselfaktor dabei ist die Stabilität der hergestellten Slurry. Während der Produktion können Wartezeiten auftreten, sodass die Slurry nicht sofort dem Beschichter (Coater) zugeführt wird. Es ist daher essenziell, dass die Slurry nicht schnell sedimentiert und über eine längere Lagerfähigkeit verfügt. Dies wird durch eine höhere Viskosität bei niedrigen Scherraten angezeigt, was auf eine bessere Benetzung und Dispersion der Partikel hinweist – ermöglicht durch den höheren Energieeintrag, der durch das Design des PMH erreicht wird. Zudem wird auch der Beschichtungsprozess selbst verbessert, wodurch schärfere Kanten beim Auftragen der Slurry entstehen und das Risiko des Verschmierens minimiert wird.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Verarbeitbarkeit und Durchflussmenge der Slurry, die über eine Schlitzdüse auf die Stromabnehmerfolie aufgetragen wird. Um Verstopfungen zu vermeiden, ist ein scherverdünnender Effekt entscheidend. Die Schlitzdüse erzeugt hohe Schergeschwindigkeiten, und für einen schnellen und effizienten Beschichtungsprozess ist ein starker Abfall der Viskosität bei hohen Scherraten notwendig. Eine steile Viskositätskurve, die bei höheren Scherraten zu einer deutlich geringeren Viskosität führt, ist dabei ideal.

Syensqo und Axens gründen Unternehmen für Festkörperbatterien

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Fliegender Wechsel möglich

Der PMH ist jedoch nicht auf eine einzige Technologie beschränkt. Durch sein spezielles Design und die Flexibilität beim Wechsel der Mischwerkzeuge kann der Planetenmischer auch für verschiedene andere Anwendungen in der Batterieindustrie eingesetzt werden. Ein Mischer oder eine Anlage kann mehrere Anwendungen abdecken, darunter:

• Mischen von Festkörperbatterien mit hoher Viskosität
• Herstellung von Gapfiller für Batteriemodule
• Schnelles Mischen von trockenen Batterieelektroden ohne Lösungsmittel, mit flexibler Änderung der Geometrien
• Natrium-Ionen-Batterien

Während herkömmliche Planetenmischer laut Stand der Technik ein Volumen von ca. 2.300 l aufweisen, hat der Anbieter von Mahl- und Dispergiertechnik dieses Volumen nahezu verdoppelt und einen Mischer mit einem Fassungsvermögen von etwa 4.200 l entwickelt. Bei einem Nutzvolumen von rund 75 % ergibt sich daraus eine Chargengröße von über 3.300 l.

Die Hauptkosten einer Mischanlage liegen in der Pulverdosierung und im Arbeitsaufwand. Durch kürzere Mischzeiten und größere Chargengrößen benötigen Anwender eine geringere Anzahl Maschinen. Bisher waren für das Herstellen der Slurries in einer Gigafactory mit einer Jahreskapazität von 20 GWh rund 16 Planetenmischer pro Anoden- oder Kathodenlinie erforderlich. Mit dem PMH 4000 werden hingegen nur vier Hauptmischer benötigt, was die Investitionskosten reduziert. Darüber hinaus sinkt der Personalbedarf für den Betrieb der vollautomatisierten Anlage, und der Platzbedarf für den Mischbereich wird reduziert. Besonders in der Batteriefertigung, wo enge Zeitpläne herrschen, bietet die geringere Stellfläche den zusätzlichen Vorteil einer schnelleren Installation und Inbetriebnahme.