Mischer für Batteriemassen Schnell und energieeffizient zum perfekten Slurry

Die Herstellung von Elektrodenmischungen für Lithium-Ionen-Batterien zählt zu den anspruchsvollsten Aufgaben im Bereich der Mischtechnik. Aktuell werden für die Beschichtung der Elektroden überwiegend Slurries eingesetzt. Die Mischqualität bei der Herstellung dieser Slurries hat direkten Einfluss auf deren Verarbeitbarkeit und die Zellperformance.

Zu einem perfekten Slurry gehören verschiedene Anlagen-Komponenten, die Eirich auf den Prozess abstimmt. Im Mittelpunkt steht der Intensivmischer Mixsolver, der speziell für die Herstellung von Elektrodenmischungen optimiert wurde. Verfügbar sind Lösungen vom Labormaßstab mit wenigen 100 ml bis zu einem Durchsatz von 1000 Liter pro Stunde. Der Mischer unterscheidet sich von konventionellen Mischsystemen, z. B. Planetenmischern, durch seinen drehenden Mischbehälter mit dem darin exzentrisch angeordneten Mischwerkzeug. Dieses wird hinsichtlich seiner Geometrie und Geschwindigkeit optimal auf die verfahrenstechnische Aufgabe abgestimmt. „Wir können mit dem Mixsolver hervorragend steuern, welche Scherkräfte wir in den unterschiedlichen Aufbereitungsphasen einbringen. Das gibt uns optimale Möglichkeiten, die Eigenschaften der Slurries zu beeinflussen. Letztlich profitieren unsere Kunden durch höhere Feststoffgehalte und besonders leistungsstarke Batterien“, erläutert Dr. Stefan Gerl, Leiter der Verfahrenstechnik bei Eirich. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Slurry-Qualität auch bei einer Erhöhung der Durchsatzleistung identisch gehalten werden kann, da nur der Füllgrad erhöht oder die Leerlaufzeiten reduziert werden. Das vereinfacht ein Scale-up und erhöht die Flexibilität.

In 15 Minuten zur optimalen Dispersion

Der Mixsolver ermöglicht einen Prozess, der in 15-20 Minuten zu optimal dispergierten Elektroden-Slurries führt. Im ersten Schritt werden alle trockenen Bestandteile (Aktivmaterialien, Leitruß, Bindemittel und Additive) intensiv trocken gemischt. Nach Zugabe einer ausreichenden Teilmenge des Lösemittels entsteht durch Kneten zunächst eine plastische Masse. Diese beeinflusst letztendlich die Slurry-Qualität maßgeblich.

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Die Knetmasse wird im Anschluss bis zur gewünschten Viskosität verdünnt. Doch es gibt noch weitere Vorteile, wie Dr. Gerl darstellt: „Mit einem Energieverbrauch von etwa 16 Wh pro Liter auf Produktionsmaschinen und außerordentlich hohen Feststoffgehalten erreichen wir im Vergleich zu anderen Verfahren zur Herstellung von Elektroden-Slurries einen absoluten Spitzenwert.“

Während oder nach abgeschlossenem Mischvorgang ermöglicht eine spezielle Messprozedur mit dem Mischwerkzeug eine Inline-Viskositätsmessung zur Qualitätskontrolle, so dass nur Slurries innerhalb der vom Kunden vorgegebenen Toleranzbänder aus dem Mischer entnommen werden.

Überlagertes Entgasen der Elektrodenmischung

Für direkt entgaste Slurries wird der Mischer mit der Evacmix-Technologie ausgestattet. Den drehenden Mischbehälter umgibt dann ein eng umschließender Druckbehälter, der das Entgasen der Elektrodenmischung überlagert zum Mischprozess ermöglicht. Außerdem stehen Ausführungen mit Doppelmantel für einen temperaturgeführten Prozess sowie mit Ex-Schutz bereit. Dem Wunsch nach einer leistungsstarken Anlage, die direkt mit der Beschichtungsanlage verbunden ist, trägt Eirich mit dem Contifeeder Prozess Rechnung. Wie auch bei der Herstellung im Extruder wird die Elektrodenmischung nach dem Mischvorgang in einen dem Mischer zugeordneten Slurry-Tank entleert. Hier kann eine zusätzliche Entgasung, Temperierung und Qualitätskontrolle durch In-Line Sensorik oder Probenahme erfolgen.

Optimal für die Just-in-time-Versorgung der Coater

Sollte die Charge nach dieser intensiveren Qualitätskontrolle doch ausnahmsweise einmal fehlerbehaftet sein, lässt sie sich von hier leicht ausschleusen, ohne die in den Puffer-Tanks gelagerte Slurry negativ zu beeinflussen. Bei Anlagen mit hohen Durchsatzleistungen schließen sich weitere Puffer-Tanks als Zwischenspeicher an. Aus dem letzten heraus werden der oder die Coater kontinuierlich mit Slurry versorgt. Damit profitieren Anwender von den besseren Möglichkeiten der Qualitätskontrolle bei einem Batch-Prozess und gleichzeitig von den Vorteilen einer kontinuierlichen Coater-Versorgung. „Dem Trend zu einer Inline-Prozesskontrolle und dem Wunsch nach IoT, tragen wir mit unserem System Qualimaster LiB für die Qualitätssicherung und Prozessoptimierung Rechnung“, betont Dr. Stefan Gerl. Dieses System baut auf dem seit Jahrzehnten bewährten und weltweit im Einsatz befindlichen Qualimaster-Qualitätssystem für Giesserei-Formstoffe auf. „Damit werden mehrere Hundert Werte permanent gemessen, aufgezeichnet und für MES-Systeme bereitgestellt.“

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