Die Grenze des Machbaren aufgemischt

Pflugschar-Mischer für Batteriemassen

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22.03.2019 Die Produktion von Lithiumakkus stellt extreme Anforderungen: So dürfen beispielsweise bei den Kathodenmassen keine Fremdionen wie Eisen eingetragen werden. Das erfordert spezielle Mischer.

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Entscheider-Facts für Betreiber und Planer

  • Bei der Produktion von Lithiumakkumulatoren stellt die Aufbereitung der erforderlichen Rohstoffe Qualitätsanforderungen, welche die eingesetzte Produktionstechnik an die Grenze des Machbaren bringt.
  • Eine spezielle Ausführung des Pflugschar-Mischers erreicht sehr schnell die homogene Durchmischung der Kathodenmassen, die für eine gleichbleibende, reproduzierbare Qualität dieser Hightech-Materialien zwingend erforderlich ist.

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Die Mischertrommel des Pflugschar-Mischers ist keramisch ausgekleidet. Auch die Mischelemente werden, wie auch die Mischerwelle und die Messerköpfe, mit einem dünnen, aber extrem festen keramischen Überzug versehen. Das vermeidet Metallabrieb, der die Qualität von Batteriemischungen negativ beeinflussen würde. Bilder: Lödige

Der Trend zur Elektromobilität treibt den Bedarf nach Lithiumakkumulatoren – nicht nur in Asien, sondern auch in Europa. In der langen Fertigungskette der Lithiumakkumulatoren stellt die Aufbereitung der Rohstoffe einen ersten, aber für die Qualität des Endproduktes entscheidenden Schritt dar. Die Kathoden heute üblicher Lithiumakkumulatoren bestehen im Wesentlichen aus einer Mischung aus Lithiumcarbonat und einem Nickel-Cobalt-Mangan-Mischoxid, dem zudem einige Additive zugegeben werden. Einige andere Stoffe hingegen sollen auf keinen Fall in die Masse gelangen, da sie die Eigenschaften der Batterie selbst in kleinsten Mengen schon negativ beeinflussen können. Eisen ist einer dieser unerwünschten Stoffe.

Zum Homogenisieren der Kathodenmassen hat Lödige deshalb einen speziellen Maschinentyp entwickelt. Da auch kleinste Verunreinigungen, die durch Eisen- bzw. Stahlabrieb verursacht werden könnten, vermieden werden müssen, sind umfangreiche Schutzmaßnahmen für die Stahlteile des Mischers erforderlich, die mit dem Produkt in Berührung kommen. Bei dieser anwendungsspezifischen Ausführung handelt es sich um die Weiterentwicklung der Pflugschar-Chargenmischer (Batchmischer). Diese arbeiten nach dem Schleuder- und Wirbelverfahren, welches ein mechanisches Wirbelbett erzeugt. Ausgerüstet mit Mischwerkzeugen, die spezifisch auf die jeweilige Aufgabenstellung abgestimmt werden, liefern sie Mischungen höchster Qualität, die jederzeit reproduzierbar sind.

Obwohl die speziell für diese Anwendung modifizierten Batchmischer in unterschiedlichsten Größen gebaut werden, haben sich die Typen mit einem Mischraumvolumen von 1.200 bis 3.000 Litern als De-facto-Standard etabliert, da diese optimal auf die Verarbeitungskapazität der vor- und nachgeschalteten Prozessschritte abgestimmt sind.

Die meisten Hersteller von Lithium-Batterien und auch deren Chemikalienlieferanten sind in Ostasien angesiedelt. Deshalb sind die Pflugschar-Mischer für diesen Anwendungsbereich bisher auch fast ausschließlich im asiatischen Raum im Praxiseinsatz. Der sich abzeichnende Bedarf bei den europäischen Automobilherstellern wird aber zukünftig sicher auch in Europa für den Aufbau entsprechender Fertigungen sorgen.

Auskleidung mit Spezialkacheln schützt vor Abrieb

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In der langen Fertigungskette der Lithiumakkumulatoren stellt die Aufbereitung der Rohstoffe einen ersten, aber für die Qualität des Endproduktes mit entscheidenden Schritt dar.

Die Trommel der Pflugschar-Mischer wird von innen mit einer keramischen Auskleidung versehen. Die dazu verwendeten Spezialkacheln weisen eine hohe mechanische Stabilität und Abriebfestigkeit auf. Die Mischelemente können aufgrund ihrer komplexeren Geometrie nicht ohne Weiteres mit einer Auskleidung versehen werden, sondern vielmehr mit einem dünnen, aber extrem festen keramischen Überzug. Diese Beschichtung kann auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Übliche Beschichtungsmaterialien basieren auf Aluminiumoxid. Sie sind sehr hart und abriebfest. Die Beschichtung ist weniger als einen Millimeter dick. Auch schwierige Konturen können so vollständig und zuverlässig beschichtet werden.

Alternativ zur Oxidkeramik, bei der die Gefahr von Abplatzungen besteht, werden seit einiger Zeit alternative Beschichtungen aus Hartmetall-Legierungen eingesetzt. Diese weisen eine den Keramiken vergleichbare Verschleißfestigkeit auf. Allerdings sind sie bei Weitem nicht so empfindlich wie Keramik. Im normalen Betrieb eines Pflugschar-Mischers ist dieser Unterschied nicht sehr bedeutsam, da die zu mischenden Kathodenmassen pulverförmig vorliegen. Es hat sich aber gezeigt, dass es durch Betriebsstörungen oder bei Wartungsarbeiten doch zum versehentlichen Eintrag von Grobteilen kommen kann, die dann die Keramikschichten beschädigen können. Die Hartmetallbeschichtungen sind in solchen Fällen wesentlich robuster, und sie verbessern somit die Betriebssicherheit des Gesamtprozesses.

Auch an anderer Stelle zeigen sich die in den letzten Jahren gestiegenen Qualitätsanforderungen an die Mischer, die in die kontinuierliche Optimierung der Maschinen einfließen: Vor einigen Jahren reichte es aus, die metallischen Oberflächen der wesentlichen produktberührenden Teile, also Trommel und Mischerschaufeln, auszukleiden bzw. zu beschichten. Mittlerweile werden auch Bereiche wie z. B. die Beschickungsstutzen abgedeckt, die nur einmalig vom Produkt durchströmt werden.

Hartmetall schützt schnelllaufende Messerköpfe

Eine besondere Rolle bei den Mischern für Batteriemassen kommt den Messerköpfen zu, also den schnelllaufenden Homogenisatoren im seitlichen Trommelbereich. Diese werden zwingend benötigt, um die für die weitere Verarbeitung der Batteriemassen geforderte Homogenität in akzeptablen Zeiten zu erreichen. Die hier eingesetzten Mischer sind mit bis zu vier Messerköpfen ausgerüstet. An den mit bis zu 3.000 Umdrehungen pro Minute laufenden Messerköpfen treten extreme Belastungen auf. Die Messer sind daher mit besonders widerstandsfähigen Hartmetallaufschweißungen versehen oder auf Kundenwunsch auch komplett aus massivem Hartmetall gefertigt.

Da die Batteriemassen toxische und kanzerogene Komponenten wie z. B. Cobalt enthalten, ist ein unkontrolliertes Austreten der feinpulvrigen Stoffe unbedingt zu vermeiden. Hier verdient vor allem die Wellenabdichtung besonderes Augenmerk, da sie sich oft als typische Leckagestelle erweist. Die bei Mischern sonst häufig eingesetzten Stopfbuchspackungen sind zwar günstig in der Anschaffung, werden der Forderung nach einer verlässlichen und möglichst wartungsarmen Abdichtung für diese Anwendung aber nicht gerecht.

Durch den Einsatz moderner Abdichtungssysteme, welche auf die jeweiligen Anwendungsbedingungen angepasst sind, wird hingegen eine Dichtigkeit erreicht, die einer klassischen Stopfbuchspackung überlegen ist. In der Regel handelt es sich dabei um luftgespülte bzw. mit Sperrluft beaufschlagte Systeme, die mehrere hintereinander angeordnete Dicht­ringpaarungen bzw. rotierende Polymerdichtungen enthalten.

Fazit: Bei der Produktion von Lithiumakkumulatoren stellt die Aufbereitung der erforderlichen Rohstoffe Qualitätsanforderungen, welche die eingesetzte Produktionstechnik an die Grenze des Machbaren bringt. Eine spezielle Ausführung des Pflugschar-Mischers erreicht sehr schnell die homogene Durchmischung der Kathodenmassen, die für eine gleichbleibende, reproduzierbare Qualität dieser Hightech-Materialien zwingend erforderlich ist.

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Heftausgabe: März/2019

Über den Autor

Armin Scheuermann, Redaktion
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