Verfahrenstechnik 3/2023

PULVERSYNTHESE

PULVERSYNTHESE PARTIKELDESIGN OPTIMIERT BATTERIEMATERIALIEN Die Glatt Pulversynthese bietet ein vielseitiges Werkzeug für die Entwicklung und industrielle Fertigung neuer Batteriewerkstoffe. Die flexible Technologie ermöglicht es, Anoden- und Kathodenwerkstoffe sowie Feststoffelektrolyte in nur einem Schritt herzustellen und zu veredeln. Der Schlüssel zur Wirksamkeit dieses Verfahrens sind die besonderen Bedingungen im pulsierenden Heißgasstrom. Während die Akkukapazität von Computern und mobilen Endgeräten ein akzeptables Maß erreicht hat, besteht insbesondere bei der Elektromobilität noch Entwicklungsbedarf hinsichtlich Reichweite und Ladegeschwindigkeit. Die Suche nach Lösungen für diese Defizite ist aktuell der Innovationstreiber für neue Batteriewerkstoffe. Mit der Glatt Pulversynthese steht eine Technologie zur Verfügung, die bereits in der Produktion, Aktivierung und Beschichtung neuartiger Batteriewerkstoffe zum Einsatz kommt. Bei der von Glatt Ingenieurtechnik entwickelten Technologie zur Erzeugung eines homogenen Pulvers wird aus den Ausgangsrohstoffen eine stöchiometrische Mischung erzeugt, getrocknet und wenn nötig kalziniert. Mit diesem Ansatz lassen sich auch geringe Mengen an Dotierungselementen homogen in den jeweiligen Batteriewerkstoff einbringen, um Leistungsmerkmale wie Kapazität und Ladeverhalten zu optimieren. Die Haltbarkeit und damit die Performance der aktiven Batteriematerialien hängen unter anderem von Nebenreaktionen mit dem Elektrolyten ab. Dies ist wiederum abhängig vom angewendeten Spannungsfenster. Mit dem Wunsch nach höheren Energiedichten wird ein Schutz der Partikeloberfläche von Anodenoder Kathodenwerkstoffen erforderlich. Hierfür kann die Glatt Pulversynthese verwendet werden, um die Aktivmaterialien zu beschichten. 16 VERFAHRENSTECHNIK 2023/03 www.verfahrenstechnik.de

FACHMESSEN DORTMUND Für Core-Shell-Partikel wird das Schichtmaterial in gelöster Form zusammen mit dem Kernmaterial in Form einer Suspension in einen pulsierenden Heißgasstrom eingesprüht, sodass das Coating-Material auf den Kern auftrocknet und gegebenenfalls kalziniert. Die Prozesstemperaturen können dabei von Raumtemperatur bis 1.300 °C eingestellt werden. Dadurch ergeben sich nahezu unendliche Kombinationsmöglichkeiten zwischen Schicht- und Kernmaterial. Vier konkrete Einsatzszenarien zeigen die Möglichkeiten der Technologien auf. KATHODENMATERIALIEN DURCH AEROSOLBASIERENDE PROZESSIERUNG Die Kathode nimmt den Großteil der Materialkosten einer Batteriezelle in Anspruch. Kostengünstige, hocheffiziente und langlebige Materialien sind hier deswegen besonders wichtig. Heutige relevante und in der Praxis eingesetzte Vertreter sind Lithium- Metalloxide (Schichtoxide wie NMC – LiNi x Mn y Co z O 2 , NCA – LiNi x Co y Al z O 2 oder Spinell-Oxide wie zum Beispiel LNMO – LiMn 1,5 Ni 0,5 O 4 ) und Lithium-Methallphosphate, beispielsweise LFP – LiFePO 4 . WEITERE OPTIONEN MIT WIRBELSCHICHT Oft weisen gerade feine Pulver aufgrund der großen spezifischen Oberfläche und geringer Schüttdichten ungünstige Eigenschaften für eine nachfolgende Weiterverarbeitung auf. Verschiedene Prozesse auf Basis der Wirbelschichttechnologie erleichtern nachfolgende Prozessschritte. Sie verbessern Homogenität und Rieselfähigkeit der prozessierten Partikel, unterbinden die Entmischung von Komponenten, eliminieren die Staubentwicklung und damit verbundene Prozessrisiken. Partikeloberflächen lassen sich schützen und zusätzlich funktionalisieren – auch im Hochtemperaturbereich. 01 Die Pulversynthese bietet ein vielseitiges Werkzeug für die Entwicklung und industrielle Fertigung neuer Batteriewerkstoffe Der Weg zur massentauglichen und preisgünstigen Herstellung des benötigten Materials führt dabei über die Pulversynthese. Die üblichen mehrstufigen Produktionsschritte können hier durch eine aerosolbasierende Prozessierung reduziert werden. Die Partikelgröße und die Morphologie können über die Anlagenparameter Temperatur, Schwingungsfrequenz und -amplitude gezielt beeinflusst werden. In Machbarkeitsstudien wurden für mehrere Vertreter bereits sehr feine Partikel D50 ≤ 5 µm erzeugt. Auch gezielte Dotierungen, die eine Kapazitätserhöhung sowie verbesserte Effizienz für schnelles Laden und Entladen ermöglichen, sind leicht umzusetzen. Durch die Synthese mit weniger Prozessschritten und unter Verwendung günstiger Rohstoffe werden ein Scale-up und der zukünftige großflächige Einsatz ermöglicht. ANODENMATERIAL AUS SILIZIUM-KOHLEN- STOFF-VERBUNDMATERIALIEN Anoden aus Kohlenstoff dominierten in der Vergangenheit den Markt. Der Trend zu höheren Energiedichten erfordert allerdings Alternativen. Silizium ist aufgrund seiner guten Verfügbarkeit Serie CSG-2, DSG-2, FSG-2 OILFREE.AIR – nachhaltig robust für hygienisch sensible Prozesse • Leistungsstark: Volumenströme von bis zu 51 m³/min • Super Premium Efficiency: Energiesparende IE4 Motoren • Bereit für Industrie 4.0: Steuerung SIGMA CONTROL 2 • Innovativ: i.HOC-Rotationstrockner (Option) für Drucktaupunkte bis zu -30 °C • Wasserkühlung: Optionale Wärmetauscher für besonders niedrige Druckluftaustrittstemperaturen • Energiesparend: Wärmerückgewinnung für Warmwasser bis zu 90 °C Bei einem ungeplanten Druckluftengpass hat KAESER mit CONTAIN-AIR eine anschlussfertige Komplettlösung parat – ganz egal, ob bei einem Kompressorausfall, zur Überbrückung von Wartungs- und Reparaturzeiten oder temporär höherem Druckluftbedarf. www.kaeser.com www.verfahrenstechnik.de VERFAHRENSTECHNIK 2023/03 17