Mischtechnik in der Batteriefertigung Effiziente Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien

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Dinnissen B.V.

MASCHINENFABRIK GUSTAV EIRICH GMBH & Co KG

Wie lässt sich in Gigafactories für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien Strom sparen? Ein Vergleich aktueller Zahlen macht deutlich: Fortschrittliche Mischtechnik und Technologiesprünge in der Elektrodenfertigung sind der Schlüssel zur Wirtschaftlichkeit.

Weltweit entstehen neue Gigafactories für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batteriezellen. Der Bedarf ist groß. Allein für Europa wird bis 2030 ein Zuwachs um 1,5 Terawattstunden prognostiziert. Das entspricht einer Verzehnfachung der derzeitigen Fertigungskapazitäten. Angesichts der aktuell hohen Energiepreise droht der Standort Europa für die Zellproduktion an Attraktivität zu verlieren.

Dem wirkt Eirich als Ausrüster der Branche entgegen. Technologiesprünge und Veränderungen innerhalb der Produktionskette bieten Möglichkeiten, gestiegene Stromkosten zu kompensieren, idealerweise sogar zu übertreffen. Die wichtigsten Stellhebel liegen bei der Elektrodenfertigung. Zur Senkung der Kosten beitragen kann die Reduktion von Ausschuss, Trocknungskosten und Kosten für Trockenräume sowie der Ersatz technologisch veralteter Mischtechnik. Technologiesprünge wie die Umstellung auf Trockenelektroden versprechen eine noch bessere Effizienz bei der Elektrodenfertigung.

Energieeinsparpotenzial durch innovative Mischtechnik

Blicken wir zunächst auf die Standardmischtechnologie, die in Gigafactories heute bei der Nassaufbereitung von Elektrodenmischungen zum Einsatz kommt: den Planeten-Dissolver-Mischer (PD-Mischer, kurz Planetenmischer). Mit gestiegenen Anforderungen an Produktionskapazitäten wurden diese Mischer immer größer. Heute liegen die Mischervolumen bei durchschnittlich 1.200 bis 2.000 Liter, bis zu 4.000 Liter sind möglich. Bis zu zwölf Meter hoch und mit Stellflächen so groß wie Einfamilienhäuser sind solche Planetenmischer in den Ausmaßen gigantisch. Bei Misch- und Entleerzeiten von sechs bis acht Stunden ist der effektive Ausstoß mit wenigen hundert Litern pro Stunde und Maschine dennoch relativ klein.

Übliche Durchsatzleistungen von Gigafactories liegen zwischen 100 und 300 l/h GWh/a pro Elektrode. Eine 10 GWh/a Fabrikation bringt es auf einen Durchsatz von etwa 2.000 l/h. Höchste Effizienz bei der Mischtechnik ist hier ein wesentlicher Faktor für die Wirtschaftlichkeit der gesamten Anlage. Neben Eirich mit dem Mixsolver bieten auch andere Maschinenhersteller alternative Verfahren für die Slurry-Aufbereitung an. Die Basis sind oft kontinuierliche Mischer (Twin-Screw-Extruder, Inline-Disperser) integriert in einen Batch-Prozess. Die Kosten- und Effizienzvorteile aller drei alternativen Verfahren sind groß.

Auf Symposien und von Maschinenherstellern werden inzwischen Angaben zu Energieverbräuchen gemacht. Für den Mixsolver gibt es neben publizierten Werten von Haberzettl [2] für Labor- und Pilotmaschinen auch Messwerte aus 1:1-Scale-up-Pilotfertigungen wie bei UKBIC sowie aus Gigafactories. Haberzettl gibt für Graphit-Anoden einen Wert von 22 Wh/l und für NCM-Kathoden von 17 Wh/l an. Im Gigafactory Scale, bspw. auf einem aktuellen RV12-Mischer von Eirich (Fassungsvermögen 500 l), werden im Produktionsbetrieb etwas geringere Werte von 15 bis 17 Wh/l für Anoden und etwas höhere Werte von 16 bis 20 Wh/l für NCM-Kathoden ermittelt. Vergleichend dazu gibt Polek für Twin-Screw-Extruder mit einem Durchmesser von 93 mm Werte von 75 bzw. 85 kWh/t an [3]. Das entspricht, umgerechnet auf Liter für Anoden bei einer Slurry-Dichte von 1,3 kg/l und NCM-Kathoden von 2,0 kg/l, einem Wert von 100 Wh/l (Anode) und 170 Wh/l (Kathode). Angaben für Inline-Disperser liegen bei 125 Wh/l [4]. Im Vergleich extrem schlecht schneiden Planetenmischer ab, für die in der Literatur Werte zwischen 300 und 750 Wh/l [3, 4] angegeben werden.

Den mit Abstand höchsten Stromverbrauch mit in Summe 13,3 GWh/a (bei mittleren Verbrauchswerten und 8.500 Betriebsstunden pro Jahr) hat also der Planetenmischer. Während Twin-Screw-Extruder und Inline-Disperser jeweils etwa ein Drittel des Strombedarfs aufweisen, liegt der Mixsolver mit unter 1 GWh/a noch einmal sehr deutlich darunter.

Mit dem Kühlen steigt der Energieverbrauch

Physikalisch bedingt werden nur ca. 10 Prozent der eingetragenen Motorleistung in die eigentliche Misch- bzw. Dispergierarbeit umgesetzt. Der Rest dissipiert in Form von Wärme. Beim Mixsolver ergeben sich mit obigen Energieverbrauchszahlen für typische Feststoffgehalte von 50 Prozent (Anode) und 70 Prozent (Kathode) rechnerische Temperaturerhöhungen der Mischung (ohne Kühlung oder Berücksichtigung von Verlusten) um 20 bis 30 K. Beim kontinuierlichen Mischen (Twin-Screw-Extruder/Inline-Disperser) steigt die Temperatur der Mischung theoretisch um 100 bis 250 K, beim Planetenmischer sogar um 300 bis 800 K, wenn man die Verdampfung der Suspensionsflüssigkeit nicht berücksichtigt. Daher ist bei den drei zuletzt genannten Verfahren zwingend eine Kühlung erforderlich. Das verdoppelt mindestens den oben berechneten Energieverbrauch sowie die CO₂-Emissionen. Anders beim Mixsolver: Der doppelwandige Mischbehälter ermöglicht zwar einen temperaturgeführten Prozess, eine Kühlung ist in der Regel aber nicht erforderlich.

Mehr Effizienz durch kleinere Mischer

Je größer der Mischer wird, umso ineffektiver wird dieser in Bezug auf den Energieeintrag. Kompakte Batch-Mischer, wie ein RV12-Mixsolver, sind daher effizienter und flexibler als gigantisch große Planetenmischer, bei denen zudem die Gefahr besteht, dass abfallende angetrocknete Materialanhaftungen ganze Chargen unbrauchbar machen. Beim Mixsolver wird dies durch gezielte Hochdruckzugabe der für die Slurry-Herstellung notwendigen Flüssigkeit in bestimmten Mischphasen vermieden. Durch Just-in-time-Produktion und Teilmengenaufbereitung können qualitativ identische Slurries zum Anfahren von Beschichtern oder beim Produktwechsel ebenso hergestellt werden, wie die Sicherstellung einer massenhaften Slurry-Versorgung der Beschichter im ununterbrochenen Dauerbetrieb. Die Ausschussraten werden so minimiert, was die Effizienz der Anlage weiter erhöht. Durch eine technisch relativ einfache Inline-Rheologie-Messung über das Mischwerkzeug werden fehlerhafte Slurries noch vor der Entleerung identifiziert und ggfs. in den gewünschten Toleranzbereich gebracht.

Erfahrungen aus Gigafactories zeigen bisher jedoch, dass dies im Dauerbetrieb der Anlagen nicht notwendig ist und die Anzahl fehlerhafter Mischungen gegen Null geht. Kontinuierlich arbeitende Mischer haben hingegen bei Veränderung der Durchsatzleistung und der damit korrespondierenden Verweilzeit mit Änderungen der Slurry-Qualität zu kämpfen. Es müssen enorme Anstrengungen unternommen werden, eine auf Dauer absolut gleichförmige Dosierung von Pulvern und Flüssigkeiten zu erreichen. Dosierschwankungen werden wellenförmig in das aufbereitete Produkt durchgereicht, sodass eine aufwändige und kostenintensive Inline-Sensorik für einen stabilen Betrieb mit geringem Ausschuss unabdingbar ist.

Einsparungen durch weniger umbauten Raum

Schaut man sich das notwendige Gebäudevolumen für die Mischanlagen sowie den damit umbauten Trockenraum an, wird weiteres Einsparpotenzial deutlich. Typische große Anlagen mit Planetenmischern sind in der Regel 2-stöckig aufgebaut. Auf der unteren Ebene sind für die riesigen Mischer Raumhöhen von ca. 15 bis 18 Meter erforderlich. Für die Pulverdosierung wird zusätzlich eine zehn Meter hohe obere Ebene benötigt. Alternative Mischverfahren wie Mixsolver, Twin-Screw-Extruder und Inline-Disperser, benötigen weniger Raum, sie passen aufgrund ihres kompakten Aufbaus in der Regel mit ihrer kompletten Anlagenhöhe in das Erdgeschoss. Das Obergeschoss könnte somit komplett entfallen. Vier Mixsolver mit Contifeeder-Technologie, die die kontinuierliche Versorgung des Beschichters sicherstellt, benötigen nur ca. ein Drittel der Grundfläche einer Anlage mit Planetenmischern, die den gleichen Ausstoß hat. Sie arbeiten, wie das dargestellte Eirich-Anlagenkonzept (siehe Aufmacher) deutlich macht, mit nur einer einzigen Feststoffdosierung.

Trockenelektrodenherstellung als effiziente Alternative

Bei neuen Technologien wie der Trockenelektrodenherstellung entfällt der klassische Beschichtungs- und Trocknungsschritt [5]. Die Verarbeitung der Pulvermischungen zu Elektroden erfolgt in der Regel in modifizierten beheizten Mehrwalzenkalandern. Es kommen keine Lösemittel zum Einsatz, die verdampft, kondensiert und aufbereitet werden müssten. Die Trocknungsstrecken mit 50 bis 100 Meter Länge entfallen. Die Gebäudestruktur der Gigafactory kann somit ganz wesentlich verkleinert werden, was entsprechende Einsparungen beim Bau und Betrieb mit sich bringt [7].

Bei den unterschiedlichen Verfahren [5, 6], die derzeit im Wettbewerb stehen, werden strukturierte Pulvermischungen benötigt. Die Leitruße werden teilweise auf die Partikeloberflächen von Aktivmaterialien aufgecoatet. Der Binder wird durch gezielte Scherung und Temperaturführung aufgeschlossen und teilweise spinnennetzartig in der Mischung verteilt. Für die Herstellung dieser Elektrodenmischungen kommen Kombinationen von einfachen Mischsystemen wie V-Mischern mit Intensifier-Bar mit nachgeschalteten Luftstrahlmühlen in Frage [9]. Sehr gute Resultate erzielt man auch mit Eirich-Mischern, die mit Werkzeuggeschwindigkeiten von bis zu 45 m/s betrieben werden können. Da das Mischprinzip die Verarbeitung aller Konsistenzen erlaubt, kann eine plastische, fibrillierte Mischung zudem durch gezielte Temperaturführung in eine gut förder- und dosierfähige Granulatstruktur in einem Ein-Topf-Prozess überführt werden, die gleichförmig in Kalanderspalte eintragbar ist und zu einem Film verrollt werden kann.

Mixsolver und Eirich-Mischer sind identische Grundmaschinen. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen nur in der Motorisierung des Mischwerkzeugs, dem Mischgutaustrag sowie im Verschleißschutzkonzept vorwiegend am Mischwerkzeug. Bei entsprechender vorausschauender Ausführung kann eine Nassaufbereitungsanlage mit Mixsolvern mit relativ geringem Aufwand zum Eirich-Mischer für die Herstellung von Trockenelektroden umgerüstet werden. Nutzer dieser Mischtechnologie sind daher wirtschaftlich und vor allem zukunftssicher aufgestellt. Der Betreiber wird durch geringe Energieverbräuche und einen vergleichsweise kleinen CO₂-Fußabdruck belohnt.

Literatur:

[1] Mohsseni, A., Harper, C.: Pathways to Reduce Energy Consumption in Lithium-ion Battery Cell Manufacturing; Whitepaper UKBIC case study; https://www.ukbic.co.uk/new-white-paper-published/

[2] Haberzettl, P.; Scaling up Electrode Slurries – From Beaker to Barrel, Poster D1_5.23, IBPC 7./8. Nov. 2022, Brunswik

[3] Polek, C.; Industrievortrag, Themenblock 2: Neue Technologien in der Batteriezellproduktion, 5. InZePro/Prozell Industrietag 7.2.2023

[4] Siehe MOFA Slurry Production Equipment; https://www.siehesmart.com/product_detail/mofa-slurrying

[5] Yang, L., Chen-Zi, Z., Hong, Y.; Jiang-Kui, H., Jia-Qi, H., Qiang, Z: Dry electrode technology, the rising star in solid-state battery industrialization; Matter 5, Pages 876–898, March 2, 2022

[6] Ludwig, B., Zheng, Z., Shou, W. et al.: Solvent-Free Manufacturing of Electrodes for Lithium-ion Batteries. Sci Rep 6, 23150 (2016); https://doi.org/10.1038/srep23150

[7] Tesla, 2020 Annual Meeting of Stockholders and Battery Day; https://www.tesla.com/2020shareholdermeeting

[8] Gerl, S.: Smart zum Elektroden-Slurry. CITplus 1-2/2022, Seite 26-29. https://doi.org/10.1002/citp.202200114

[9] Patent WO 2005008807 A2

(ID:49327494)