Welche Lösungen gibt es für ATEX- und Inertisierungsanforderungen bei Mischungen von Batteriematerialien?
Bei der Herstellung und Aufbereitung von Batteriematerialien können brennbare Stäube, leitfähige Pulver, feuchteempfindliche Komponenten sowie loesemittelhaltige Slurries auftreten. Typische Feststoffe sind NMC, NCA, LFP, Graphit oder Silizium Komposite. Ob von ihnen eine Explosionsgefahr, Feuchteempfindlichkeit oder besondere Reaktivitaet ausgeht, muss für jede Rezeptur und Prozessstufe einzeln bewertet werden.
Besonders anspruchsvoll sind Prozesse, bei denen brennbare Stäube und Loesemitteldampfe gleichzeitig auftreten können. Solche hybriden Gemische können strengere sicherheitstechnische Anforderungen haben als reine Staub oder Gasatmosphären. Deshalb muss das Schutzkonzept den gesamten Prozess betrachten, einschliesslich Beschickung, Mischer, Entleerung, Fördertechnik, Filteranlagen und Trockenraumumgebung.
Die Grundlage ist eine stoffbezogene Gefährdungsbeurteilung. Relevante Kennwerte sind beispielsweise Kst Wert, maximaler Explosionsdruck, Mindestzündenergie, Mindestzündtemperatur, elektrischer Widerstand und Sauerstoffgrenzkonzentration. Bei loesemittelhaltigen Prozessen sind zudem Explosionsgrenzen, Flammpunkt und Verdampfungsverhalten zu berücksichtigen.
Primärer Explosionsschutz durch Inertisierung
Die Inertisierung soll verhindern, dass sich im Prozessraum eine zuendfaehige Atmosphäre bildet. Der Sauerstoffgehalt im Mischer und in angeschlossenen Anlagenteilen wird dazu unterhalb der für das konkrete Produkt ermittelten Sauerstoffgrenzkonzentration gehalten. Allgemeine Sauerstoffgrenzwerte sind nicht ausreichend, da Staubart, Lösemittel, Temperatur, Druck und Partikelgroesse die erforderliche Auslegung beeinflussen.
Als Inertgas wird meist Stickstoff eingesetzt. Bei Materialien, die mit Stickstoff reagieren können, etwa bei Anwendungen mit elementarem Lithium, kann Argon erforderlich sein. Geeignete Verfahren sind die Spuelinertisierung, die Druckwechselinertisierung mit Evakuieren und anschliessendem Befüllen sowie die kontinuierliche Durchspuelung bei laufenden Prozessen.
Der Sauerstoffgehalt wird mit geeigneter Mess und Analysentechnik überwacht. Taupunkt oder Feuchtesensoren ergänzen die Messung, wenn das Produkt niedrige Restfeuchtewerte erfordert. Die Messwerte werden mit der Steuerung verbunden. Kritische Prozessschritte dürfen erst nach Erreichen der vorgegebenen Freigabewerte starten. Bei Grenzwertüberschreitungen muss die Anlage in einen definierten sicheren Zustand übergehen.
Sekundärer Explosionsschutz durch Zündquellenvermeidung
Kann eine explosionsfähige Atmosphäre nicht sicher ausgeschlossen werden, müssen wirksame Zündquellen vermieden werden. Die Zoneneinteilung richtet sich nach Wahrscheinlichkeit, Dauer und Ausdehnung explosionsfähiger Atmosphären. Der Innenraum eines Mischers kann bei staubexplosionsfaehigen Produkten beispielsweise als Zone 20 bewertet werden. Bereiche an Beschickungs, Entleerungs und Filterstellen können als Zone 21 oder Zone 22 eingestuft werden. Bei brennbaren Lösemitteln ist zusätzlich eine Bewertung möglicher Gas oder Dampfzonen erforderlich.
Mischer, Mischwerkzeuge, Rohrleitungen, Filter, Container und mobile Gebinde müssen in ein durchgängiges Potentialausgleichs und Erdungskonzept eingebunden sein. Schläuche, Dichtungen und Auskleidungen sind so auszuwählen, dass sie keine unzulässigen elektrostatischen Aufladungen begünstigen. Elektrische Betriebsmittel müssen für die jeweilige Zone geeignet sein. Auch mechanische Zündquellen wie Reibung, Schlag, heisslaufende Lager oder Defekte an Dichtungen sind zu bewerten und gegebenenfalls zu überwachen.
Konstruktiver Explosionsschutz
Konstruktiver Explosionsschutz dient als weitere Schutzebene, wenn ein Explosionsereignis trotz Inertisierung und Zündquellenvermeidung nicht ausreichend sicher ausgeschlossen werden kann. Die Anlage kann druckstossfest ausgeführt oder mit Explosionsdruckentlastung, Explosionsunterdrückung und Entkopplung ausgerüstet werden.
Berstscheiben oder Explosionsklappen leiten den Druck in geeignete Bereiche ab. Bei Innenaufstellung können flammenlose Entlastungseinrichtungen oder Explosionsunterdrueckungssysteme erforderlich sein. Schnellschlussschieber, Löschmittelsperren oder andere geeignete Systeme verhindern die Übertragung von Flammen und Druck auf vor oder nachgelagerte Anlagenteile. Die Eignung jeder Schutzmassnahme muss für das konkrete Produkt und die Anlagenkonfiguration nachgewiesen werden.
Hybride Gemische und Trockenraumtechnik
Hybride Gemische aus Staub und Loesemitteldampf können ein verändertes Zündverhalten aufweisen. Bereits geringe Dampfanteile können die Mindestzündenergie eines Staubgemischs senken. Die Auslegung der Inertisierung und der Schutzmassnahmen muss deshalb das ungünstigste realistische Szenario berücksichtigen.
Geschlossene Beschickungs und Entleerungssysteme reduzieren Staubaustritte, Produktverluste und das Eindringen feuchter Umgebungsluft. Je nach Prozess kommen dichte Container Docking Systeme, Schleusen, Handschuhboxen oder Isolatoren zum Einsatz. Bei sehr feuchteempfindlichen Materialien kann der Mischer in einen Trockenraum integriert werden. Trockenraum und Prozessinertisierung müssen hinsichtlich Druckkaskaden, Materialtransfer und Abluftführung aufeinander abgestimmt sein.
Sicherheitskonzept als Gesamtsystem
Ein sicheres Konzept für das Mischen von Batteriematerialien kombiniert Materialcharakterisierung, Gefährdungsbeurteilung, Zonenkonzept, Inertisierung, Zündquellenvermeidung und gegebenenfalls konstruktiven Explosionsschutz. Alle sicherheitsrelevanten Komponenten müssen prüfbar, wartbar und in klare Betriebsanweisungen eingebunden sein. Entscheidend ist das abgestimmte Zusammenspiel von Materialeigenschaften, Prozessführung, Mischer, Peripherie und Umgebung.
So mischt amixon® Batteriematerialien: Kathoden und Anodenpulver kontaminationsarm, schonend und entmischungsarm
Batteriematerialien stellen hohe Anforderungen an Mischtechnik und Anlagenkonzept. Kathoden und Anodenpulver dürfen möglichst keinen Metallabrieb aufnehmen, empfindliche Partikelstrukturen sollen erhalten bleiben und die Mischung muss sich vollständig sowie ohne nennenswerte Entmischung entleeren lassen. amixon® kombiniert dafür langsame Mischbewegungen, eine intensive Gesamtverstroemung, verschleissarme Werkstoffe und eine auf Restentleerung ausgelegte Konstruktion.
Kontaminationsschutz beginnt beim Werkstoff
Metallische Verunreinigungen können bei Batteriematerialien die Produktqualität beeinträchtigen. Deshalb wird die Werkstoffauswahl bei amixon® auf die Eigenschaften des jeweiligen Produktes abgestimmt. Je nach Abrasivitaet und Reinheitsanforderung kommen verschleissfeste Werkstoffe, gehärtete oder hartmetallbestueckte Mischwerkzeuge sowie keramische Beschichtungen an besonders beanspruchten Flächen infrage.
Langsame Drehbewegung und ideale Mischgüte
Die langsame Drehbewegung ist ein zentrales Merkmal der amixon® Mischtechnik. Sie verbindet eine schonende Produktbehandlung mit einer intensiven Umwälzung des gesamten Mischvolumens. Die SinConvex® Totalverstroemung erfasst das Produkt über den gesamten Mischraum und kann lokale Scher und Prallzonen deutlich reduzieren.
Das ist besonders vorteilhaft für Kathoden und Anodenformulierungen mit empfindlichen Bestandteilen wie Leitruessen, beschichteten Partikeln oder sphärischen Granulaten. Auch bei unterschiedlichen Korngroessen und Dichten kann eine sehr hohe Mischgüte erreicht werden. Ziel ist eine reproduzierbare, statistisch gleichmaessige Verteilung aller Rezepturbestandteile bei möglichst geringer mechanischer Belastung des Produktes.
Nahezu restlose und entmischungsarme Entleerung
Eine hohe Mischgüte darf beim Austrag nicht verloren gehen. Deshalb ist die Entleerung bei amixon® ein wesentlicher Bestandteil des Mischkonzeptes. ComDisc® Elemente unterstützen die Entleerung des Restproduktes aus dem Mischraum und reduzieren das Risiko einer Entmischung während der Austragsphase.
Der KoneSlid® KS ermöglicht eine sehr schnelle Entleerung des Mischers. Die kurze Austragszeit kann Schuettkegelbildung und nachträgliche Separationseffekte begrenzen. Das Produkt gelangt dadurch möglichst vollständig, homogen und reproduzierbar in den nachfolgenden Prozess oder in das vorgesehene Gebinde. Die erreichbare Restentleerung ist dabei immer von Produkt, Rezeptur, Feuchte, Partikelstruktur und Anlagenkonfiguration abhängig.
Druckfest oder druckstossfest ausgeführt
Bei Batteriematerialien können feine, brennbare Stäube, Loesemittelatmosphaeren oder oxidationsempfindliche Aktivmaterialien auftreten. Deshalb kann der Mischer projektspezifisch für Inertisierung, Vakuumbetrieb sowie druckfeste oder druckstossfeste Anforderungen ausgelegt werden.
Eine druckfeste Ausführung ist für definierte Innendrücke ausgelegt und kann beispielsweise bei Vakuumprozessen, Inertisierung oder gasdichter Prozessführung erforderlich sein. Eine druckstossfeste Ausführung dient als Bestandteil eines Explosionsschutzkonzeptes, wenn der Mischer die mechanischen Auswirkungen eines definierten Explosionsdrucks beherrschen muss. Welche Bauweise erforderlich ist, ergibt sich aus der Gefährdungsbeurteilung, den sicherheitstechnischen Kennwerten des Produktes und dem Explosionsschutzkonzept der Gesamtanlage.
Der Mischraum kann bei entsprechender Auslegung für Anwendungen in ATEX Zone 20 geeignet sein. Für oxidationsempfindliche oder feuchteempfindliche Materialien kann das Mischgut inertisiert werden. Gasdichte Apparate wie VMT und AMT können zudem Vakuumprozesse und Vakuum Mischtrocknung im selben Prozessraum ermöglichen. Dadurch lassen sich Umfuellschritte, Schnittstellen und potenzielle Kontaminationsquellen reduzieren.
Baugrössen bis zur Gigafactory Skala
amixon® bietet Mischtechnik vom Technikumsmischer bis zur grossvolumigen Produktionsanlage. HM Doppelwellenmischer sind in Standardbaugrössen bis 20 Kubikmeter und in Sonderbaugrössen bis 50 Kubikmeter verfügbar. Der Gyraton® GM kann für grosse Chargen ausgelegt werden und eignet sich auch für Batteriemassen im Bereich von etwa 10 bis 100 Kubikmetern.
Die Auslegung wird vor der Investition im amixon® Technikum mit Originalprodukt erprobt. Dabei lassen sich Mischgüte, Produktschonung, Abrieb, Restentleerung, Inertisierung und Reinigbarkeit unter realistischen Bedingungen bewerten. Partikel und Kontaminationsanalysen können gemeinsam mit dem Betreiber in das Versuchskonzept eingebunden werden.
Hygienic Design als konstruktive Grundlage
Das amixon® Hygienic Design unterstützt Reinigbarkeit, Produktreinheit und sichere Chargenwechsel. Mischraum und Mischwerk sind fugenfrei verschweisst und verschliffen. Das Mischwerk ist ausschliesslich oben gelagert. Eine produktberuehrte untere Wellendurchführung kann dadurch entfallen.
Grosse Clever-Cut® Inspektionstueren mit OmgaSeal® Dichtungen ermöglichen einen guten Zugang zu den produktberuehrten Flächen. Totraumarme Auslauforgane und optional integrierte Waschlanzen unterstützen die Trocken oder Nassreinigung. Je nach Produkt, Markt und Anforderung kann die Anlage nach relevanten Hygienekonzepten und Standards ausgelegt werden.
amixon® verbindet damit langsame Drehbewegung, sehr hohe Mischgüte, nahezu restlose Entleerung und eine auf Druckfestigkeit oder Druckstossfestigkeit auslegbare Konstruktion. Das Ergebnis ist eine Mischanlage, die anspruchsvolle Batteriematerialien schonend, sicher und reproduzierbar verarbeitet.