Ein neu entwickeltes Verfahren zur Grafitverrundung kann mehr als 20 in Reihe geschaltete Sichtermühlen ersetzen.

Ein neu entwickeltes Verfahren zur Grafitverrundung kann mehr als 20 in Reihe geschaltete Sichtermühlen ersetzen. (Bild: Netzsch)

  • Bei Kathodenmaterial gibt es einen Trend weg von Polykristallen hin zu Einkristallen.
  • Grafit muss, um in Anoden verwendet zu werden, zunächst verrundet werden.
  • Getrennte Misch- und Dispergierschritte können den Ausschuss und Energieeinsatz reduzieren.

Das Interesse daran, leistungsfähige Batterien mit höherer Kapazität, längerer Lebensdauer, kürzeren Ladezeiten, geringerem Gewicht und geringerer Größe zu entwickeln, ist größer denn je. All diese Eigenschaften werden durch viele Faktoren im Herstellprozess beeinflusst:

  • die chemische Zusammensetzung,
  • Form und Partikelgrößenverteilung der aktiven Materialien,
  • Homogenität und Fehlerfreiheit der Beschichtungen auf den Leiterfolien der Elektroden,
  • Transport und Dosierung schwieriger, aggressiver Medien,
  • die Zuführung beim Mischen und Mahlen,
  • Dosierung von Kathoden- und Anodenslurries.

Gerade im Bereich der chemischen Zusammensetzung ist im Moment viel in Bewegung und wird vermehrt geforscht, nicht zuletzt wegen der Knappheit, der bisher für Batterien verwendeten Anoden- und Kathodenmaterialien.

Einkristalle für eine höhere elektrische Leistung

Strahlmühlen werden für die Herstellung von Kathodenmaterial aus ternären Verbindungen wie NCM und NCA eingesetzt.
Strahlmühlen werden für die Herstellung von Kathodenmaterial aus ternären Verbindungen wie NCM und NCA eingesetzt. (Bild: Netzsch)

Als Kathode für Lithium-Ionen-Akkumulatoren kommt bislang häufig polykristallines Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC) zum Einsatz. Aufgrund der polykristallinen Struktur können sich allerdings im Lade-Entlade-Zyklus Risse in den Partikeln bilden, wodurch die Leistung abnimmt. Wenn die Akkumulatoren nun über einen längeren Zeitraum hinweg eingesetzt werden, können Mikrofrakturen entstehen, die die Batteriestruktur destabilisieren, Gase freisetzen und die thermische Stabilität verschlechtern.
Um die durch Rissbildung in den Polykristallen verursachten strukturellen Schäden zu überwinden, entwickelt sich die Technologie der Batterielandschaft aktuell in Richtung von Einkristall-Kathoden. Einkristallines NCM, das für Hochspannungszellen entwickelt wurde, ist auch bei hohen Betriebstemperaturen stabil und weist eine bessere Lebensdauer als normales NCM auf. Darüber hinaus bewegen sich Li-Ionen in Einkristallen etwa 6- bis 14-mal schneller – das erhöht die elektrische Leistung und Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterien (LIB) erheblich.

Um Kathoden- oder Anodenmaterialien herzustellen, können sowohl Nass- als auch Trockenmahlverfahren eingesetzt werden. Für die Herstellung von Kathodenmaterial aus ternären Verbindungen wie NCM und NCA werden Strahlmühlen wie die Netzsch CGS zur Desagglomeration nach der Wärmebehandlung eingesetzt. Mit dem in der Maschine integrierten dynamischen Windsichter und dem verbesserten Prozessraumdesign kann die gewünschte Feinheit erreicht oder verhindert werden, dass sich sehr feine Partikel durch ternäre Verbundkathodenmaterialien bilden.

Von Plättchen zu Sphären

Anoden für LIB werden idealerweise mit kugelförmigem Grafit hergestellt. Naturgrafit und synthetisch hergestellter Grafit sind plättchenförmig und zeigen einen charakteristischen Schichtaufbau. Weitere Prozessschritte, unter anderem die Zerkleinerung, zielen darauf ab, ein abgerundetes Endprodukt mit enger Korngrößenverteilung sowie hoher Stampfdichte und Ausbeute zu erhalten.

Das von Netzsch entwickelte Verfahren zur Grafitverrundung überwindet die Nachteile des bislang häufig eingesetzten Verfahrens: mehr als 20 in Reihe geschaltete Sichtermühlen. Dafür wird in einem ersten Schritt der Flockengrafit in einer Sichtermühle oder einer Fließbett-Gegenstrahlmühle auf die optimale Ausgangskorngröße für die Sphäroidisierung vorzerkleinert. Die eigentliche Partikelverrundung findet dann nachgeschaltet in der neu konzipierten Netzsch Verrundungseinheit Gyrho statt. Diese ist in unterschiedlichen Baugrößen verfügbar und Anwender können sie auf die benötigte Durchsatzmenge auslegen. Für größere Durchsatzmengen können zwei oder mehr parallel betriebene Maschinen eingesetzt werden, die dann die erwähnten 20 oder mehr in Reihe geschalteten Mühlen ersetzen.

Der effiziente Sphäroidisierungsprozess in der Verrundungseinheit gliedert sich in drei Phasen: Befüllen, Runden und Entleeren. Während der Füllphase wird das maximale Produktvolumen in die Prozesskammer gefördert. In der Rundungsphase werden die Partikel durch optimale Geometrie und Prozessparameter bis zur Rundung beansprucht. Im letzten Schritt, der Entleerungsphase, wird der Prozessraum durch eine Absaugung mit Zyklon entleert und das Produkt abgeschieden.

Durch die optimierte Mahlraumgestaltung sowie eine geringere Anzahl an Komponenten konnten die Ausbeuten von 30 bis 40 % des Standardsystems auf über 60 % in der neuen Verrundungseinheit gesteigert werden. Dabei ist es durch gezielte Einstellungen möglich, die maximale Ausbeute bei gewünschter Produktqualität zu erreichen. Qualitätskriterien wie Breite der Verteilung, Stampfdichte und Partikelgröße lassen sich durch Variation der Prozessparameter direkt beeinflussen. Mit dem System sind alle auf dem Markt geforderten Qualitäten darstellbar, wie beispielsweise sphärischer Grafit mit einer Stampfdichte von mehr als 960 g/l bei einem d50-Wert von 16,8 μm und einer Ausbeute, bezogen auf Rohmaterialmenge, von mehr als 60 %.

Mit den Fortschritten in der Batterietechnologie ist eine neue Nachfrage auf dem Anodenmarkt entstanden. Da die Leistung und Kapazität der Batterien zunehmen, wird ein Anodenmaterial benötigt, das eine schnelle Aufladung der Batterien ermöglicht.

Als attraktiver Kandidat für das Anodenmaterial der nächsten Generation wird nach Grafit Silizium gehandelt. Während Grafit pro sechs Kohlenstoffatome ein Lithium-Ion speichert, kann Silizium 4,4 Lithium-Ionen pro Siliziumatom aufnehmen. Mit anderen Worten: Eine Siliziumanode hat eine mehr als viermal höhere Kapazität pro Gramm als eine Grafitanode. So kann mit Silizium als Anodenmaterial eine bessere Energiedichte erreicht und damit die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöht werden. Auch die Entwicklung von Schnellladungen für Batterien kann mit Silizium einfacher sein als mit Grafit. Da Silizium gleichzeitig wirtschaftlich und umweltfreundlich ist, arbeitet die Forschung daran, die Nachteile, beispielsweise die Ausdehnung beim Laden und das Schrumpfen beim Entladen, zu überwinden. Für den Einsatz in Akkumulatoren muss Silizium wie auch der kugelförmige Grafit homogen gemahlen werden. Inhomogene Partikel würden die Batterieleistung beeinträchtigen und die Lebensdauer verkürzen, weshalb der Einsatz von Hochleistungsequipment der Nass- und Trockenmahlung unerlässlich ist.

Mischanlagen für Slurries

Das Mischanlagensystem trennt die einzelnen Misch- und Dispergierschritte innerhalb der Suspensionsproduktion.
Das Mischanlagensystem trennt die einzelnen Misch- und Dispergierschritte innerhalb der Suspensionsproduktion. (Bild: Netzsch)

Um den Bedarf an Batterie-Slurry zu decken, werden in größeren Anlagen mehrere Planetenmischsysteme eingesetzt. Bei steigenden Produktionsmengen, wie sie derzeit von Gigafabriken gefordert werden, werden alternative Verfahren wichtig, um die Produktionskosten von LIB-Zellen zu senken. Denn eine kosteneffiziente Verarbeitung wird von allen Herstellern von Batteriezellen gefordert und neben der Verarbeitungszeit trägt auch der Materialausschuss zu den Gesamtkosten bei.

Das neu entwickelte Netzsch Mischanlagensystem trennt die einzelnen Misch- und Dispergierschritte innerhalb der Suspensionsproduktion. Diese Trennung ermöglicht es, die Rohstoffe selektiv und mit angepasstem Energieeinsatz zu behandeln. Das modulare Konzept ermöglicht es dem Zellhersteller, auf Rohstoffschwankungen zu reagieren und somit den Ausschuss erheblich zu reduzieren. Auch eine Nachbearbeitung des Materials ist möglich und alle einzelnen Prozessschritte können besser kontrolliert und verbessert werden, um die Produktqualität zu erhöhen. Darüber hinaus werden Teile dieses Segmentierungskonzeptes bereits in der Industrie zur Herstellung von LIB umgesetzt, wie die Vorfertigung der Binderlösung oder die Vorproduktion des Kathodenslurrys.

Das neue Netzsch Mischanlagensystem ist damit eine effiziente Lösung für moderne Batterieproduktionsanlagen, die für die Großproduktion von 10, 20, 50 und mehr GWh Jahresproduktion ausgelegt sind. Bei zuverlässig hoher Qualität ermöglicht es einem Batteriezellenhersteller, die Investitions- und Betriebskosten für Elektrodenschlämme zu senken. Netzsch bietet Anwendern neben Anlagen für die Batterieproduktion auch die Möglichkeit, in Anwendungslaboren des Unternehmens die Zerkleinerung neu entwickelter Materialien im Labor- und Produktionsmaßstab und Verbesserungen für Prozessparameter zu testen.

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Netzsch Trockenmahltechnik GmbH

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