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Verfahrenstechnik 12/2015

Verfahrenstechnik 12/2015

90 Prozent weniger

90 Prozent weniger Ausschuss Vollkontinuierliche Elektroden-Slurry-Herstellung für Lithium-Ionen-Batterien Norbert Kern Elektrofahrzeuge tragen maßgeblich zu einer Reduktion der CO 2 -Emissionen bei. Für eine breite Akzeptanz benötigen sie jedoch hochleistungsfähige, sichere und bezahlbare Batterien. Ein Hersteller hat einen neuen Prozess für die kontinuierliche Produktion der Elektroden Slurries für Lithium- Ionen-Batterien entwickelt. Das auf einem Zweiwellenextruder basierende Verfahren ermöglicht eine exakte Prozesskontrolle und dadurch eine hohe Qualitätskonsistenz und maximale elektrochemische Performance. Autor: Norbert Kern, Head of Process Engineering, Business Area Grinding & Dispersion Technologies, Bühler, Uzwil, Schweiz Gleichzeitig kann der Ausschuss um 90 % reduziert werden, und die Investitionskosten lassen sich gegenüber dem konventionellen Herstellungsprozess um bis zu 70 % senken. So können die Batteriehersteller ihre Produktivität und Wirtschaftlichkeit deutlich erhöhen. Die Bevölkerungszunahme und der steigende Wohlstand in den Schwellenländern sorgen für eine nachhaltige Belebung der Fahrzeugnachfrage. Dieses Wachstum bringt auch Herausforderungen mit sich: So ist der Verkehrssektor für 13 % aller Treibhausgasemissionen verantwortlich, wovon 75 % auf den Straßenverkehr entfallen. Eine Schlüsselrolle für die Reduktion der CO 2 - Emissionen spielen Elektrofahrzeuge. Die Internationale Energieagentur (IEA) schätzt, dass von 120 Mio. im Jahr 2030 verkauften Neufahrzeugen bereits jedes zweite von einem Elektromotor angetrieben sein wird. Effiziente Batterien als interner Energiespeicher Elektrisch betriebene Fahrzeuge (EV, electric vehicles), Fahrzeuge mit Reichweitenverlängerung (REV, range extended electrical vehicles) oder Fahrzeuge mit Brennstoffzellen (FEC, fuel cell electrical vehicles) benötigen eine Batterie als internen Energiespeicher. Lithium-Ionen-Batterien bieten eine hohe Sicherheit und Qualität und eignen sich deshalb optimal für die Verwendung in Elektrofahrzeugen. Ein weiteres Einsatzgebiet solcher Batterien ist die Zwischenspeicherung etwa von Sonnen- oder Windenergie. In den nächsten Jahren ist von einer massiven Erweiterung der weltweiten Produktionskapazitäten für Lithium-Ionen- Batterien auszugehen. Die Batteriehersteller sind auf kosteneffiziente Produktionslösungen angewiesen, die eine hohe Qualitätskonsistenz und Performance bieten. Dispergierung verbessert Leistung Der Herstellungsprozess von Lithium-Ionen- Batterien ist mehrstufig und äußerst komplex. Ein zentraler Prozessschritt ist die Nassaufbereitung der Elektroden Slurries, die anschließend auf die Elektrodenfolien aufgetragen werden. Die Qualität dieser Slurries beeinflusst direkt die Leistung der Zellen. Die aktive Komponente wie etwa nanoskaliges Lithium-Eisen-Phosphat darf nicht in ihrer Struktur verändert, sondern lediglich fein im Trägermedium dispergiert werden. Ihre poröse Struktur muss unbedingt erhalten bleiben. Um die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Aktivpartikeln sicherzustellen, werden zusätzlich lange Kohlenstoffketten beigemischt. Auch diese dürfen nicht durchtrennt, sondern nur fein dispergiert werden. Je besser dieser sogenannte „Leitruß“ dispergiert wird und in seiner Form bestehen bleibt, desto höher kann die fertige Batterie kurzzeitig belastet werden. Für eine hohe Qualitätskonsistenz und eine maximale elektrochemische Performance 8 VERFAHRENSTECHNIK 12/2015

VERFAHREN UND ANLAGEN 01 Ein zentraler Prozessschritt ist die Nassaufbereitung der Elektroden Slurries muss sich die Beanspruchung der einzelnen Partikel während der Dispergierphase deshalb exakt kontrollieren lassen. Extruder ermöglicht mehr Prozesskontrolle Als Kernmaschine wird beim kontinuierlichen Herstellungsprozess ein gleichdrehender Zweiwellenextruder eingesetzt. Durch die flexibel konfigurierbare Schnecke können verschiedene Schritte wie das Mischen, Homogenisieren, Dispergieren und Entgasen in einem einzigen Aggregat abgebildet werden. Dank unterschiedlichen Zugabestellen für Feststoffe und Flüssigkeiten lässt sich die Feststoffkonzentration und damit die Viskosität jederzeit verändern. So können die Misch- und Dispergierprozesse genau an die Anforderungen der teilweise sensitiven Rohstoffe angepasst werden. Durch die kompakte Bauform des Extruders wird auch nur ein Bruchteil des Volumens einer konventionellen Slurry-Aufbereitung im Batch-Verfahren benötigt. Weil die eingesetzten Materialien zum Teil empfindlich auf Luftfeuchtigkeit reagieren und die Produktionsumgebungen als Trockenräume gestaltet sind, schlägt sich dieser geringere Platzbedarf in niedrigeren Gesamtkosten für die Batteriehersteller nieder. Qualitätssicherung vermindert Ausschuss Genauso anspruchsvoll wie der Dispergierprozess ist auch die Dosierung der einzelnen Komponenten. Damit die Slurries bei einer direkten Weiterverarbeitung immer die richtige Zusammensetzung haben, muss jederzeit die exakte Formulierung zusammengeführt werden. Die neu entwickelte Qualib- Einheit (Quality Lithium Ion Battery) von Bühler – eine Inline-Qualitätskontrolle der Slurries nach dem Extrusionsprozess – erfasst ständig die Feststoffkonzentration, das Fließverhalten, die Partikelgröße sowie weitere wichtige Produktparameter und kontrolliert, ob sich diese innerhalb der definierten Toleranzen befinden. Ist dies nicht der Fall, werden die Slurries automatisch in einen gesonderten Behälter umgeleitet. So kann der Ausschuss an Elektroden und Zellen, der auf eine mangelhafte Slurry-Herstellung zurückzuführen ist, um 90 % reduziert werden. Das erhöht die Produktivität und Wirtschaftlichkeit der Batteriehersteller deutlich. Zusätzlich trägt die Inline-Qualitätskontrolle aber auch dazu bei, den Herstellungsprozess über die Zeit zu optimieren. Dafür werden alle Daten aus der Slurry-Herstellung in einer Cloud gesammelt und mit Daten über die Batterieperformance umfassend analysiert. Sobald ein genügend großer Datensatz zur Verfügung steht, gibt die Software Empfehlungen für eine Optimierung des Prozesses ab. Ein weiterer Vorteil des kontinuierlichen Herstellungsprozesses sind die wesentlich niedrigeren Investitionskosten: Gegenüber dem konventionellen Batch-Verfahren können diese um bis zu 70 % reduziert werden. Weil der Prozess zudem weniger manuelle Arbeit benötigt, reduzieren sich auch die Betriebskosten um rund die Hälfte. www.buhlergroup.com/battery hygienisch by camfil. 02 Die Qualib-Einheit erfasst ständig die Feststoffkonzentration, das Fließverhalten, die Partikelgröße sowie weitere wichtige Produktparameter camfil.de/hygienisch

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