Welche Mischer eignen sich für Kathoden- und Anodenpulver in Batteriematerialien mit strenger Kontaminationskontrolle und ATEX-Anforderungen?
Bei der Herstellung von Lithium Ionen Batterien sind die Mischprozesse für Kathoden und Anodenmaterialien qualitaetsbestimmend und sicherheitsrelevant. Geeignete Mischer müssen die erforderliche Mischgüte erreichen, die Partikel möglichst schonen, den Eintrag unerwünschter Fremdstoffe begrenzen und in ein passendes Explosionsschutzkonzept integriert werden.
Kathodenmaterialien wie NMC, NCA, LFP oder LCO sowie Anodenmaterialien wie Graphit, Silizium Komposite oder Lithiumtitanat unterscheiden sich deutlich hinsichtlich Partikelgroesse, Schuettgewicht, Abrasivitaet, Feuchteempfindlichkeit und elektrischer Leitfähigkeit. Die zulassige Kontamination und die erforderliche Mischintensität müssen deshalb für jede Rezeptur und Prozessstufe festgelegt werden. Nicht jedes Batterieprodukt ist automatisch staubexplosionsfaehig oder besonders feuchteempfindlich. Dies muss auf Basis der tatsächlichen Materialeigenschaften bewertet werden.
Für die Trockenmischung von Aktivmaterialien, Leitadditiven und weiteren Pulverkomponenten kommen mehrere Mischprinzipien infrage. Konusschneckenmischer eignen sich besonders für scherempfindliche, beschichtete oder fragile Partikel. Ihre langsame Mischbewegung ermöglicht eine schonende dreidimensionale Produktumwälzung. Sie sind vor allem dann sinnvoll, wenn eine niedrige mechanische Belastung und eine gute Entleerbarkeit im Vordergrund stehen.
Pflugschar und Intensivmischer bieten eine hohe Mischintensität und kurze Mischzeiten. Sie können für gut bis maessig fliessende Pulver sowie für Rezepturen mit Additiven und Agglomeraten geeignet sein. Zusätzliche Zerkleinerungswerkzeuge dürfen jedoch nur eingesetzt werden, wenn der erforderliche Energieeintrag, der mögliche Abrieb und die Auswirkung auf die Partikelstruktur ausreichend untersucht wurden.
Doppelwellen Paddelmischer können bei groesseren Chargen und hohen Durchsaetzen eine gute Lösung sein. Sie erzeugen eine intensive konvektive Produktbewegung und lassen sich als Batch Mischer oder in angepassten Konzepten auch für kontinuierliche Prozesse einsetzen. Entscheidend sind dabei eine gleichmaessige Beschickung, eine geeignete Austragsgestaltung und die Kontrolle möglicher Entmischung.
Container und Trommelmischer sind besonders bei kleinen Chargen, Entwicklungsmengen und häufigen Produktwechseln interessant. Wenn der Behälter zugleich als Transport und Mischbehälter dient, können Umfuellschritte reduziert werden. Das verringert offene Schnittstellen, Reinigungsaufwand und potenzielle Kreuzkontaminationen. Akustische Resonanzmischer können bei kleinen Chargen und speziellen Mischaufgaben eine Alternative sein. Da keine produktberuehrten Mischwerkzeuge im Behälter rotieren, kann mechanischer Werkzeugabrieb reduziert werden. Ihre Eignung für Durchsatz, Behältergroesse und Rezeptur muss jedoch im Einzelfall geprüft werden.
Für die Slurry Herstellung gelten andere Anforderungen als für die Trockenmischung. Aktivmaterial, Leitadditive, Binder und Lösemittel müssen benetzt, dispergiert und gegebenenfalls entgast werden. Planeten und Doppelplanetenmischer eignen sich für hochviskose Elektrodenpasten, insbesondere wenn unter Vakuum gearbeitet werden soll. Dispergierer, Dissolver oder Rotor Stator Systeme können die Benetzung und Agglomerataufloesung unterstützen. Bei sehr hohen Anforderungen an die Dispergierung kann eine nachgeschaltete Nassmahlung erforderlich sein.
Die Kontaminationskontrolle beginnt mit der Auswahl aller produktberuehrten Werkstoffe. Edelstahl kann für viele Anwendungen geeignet sein, ist aber nicht automatisch die beste Wahl. Wenn einzelne Metalle oder metallische Partikel kritisch sind, müssen Werkstoffe, Oberflächen und zulässige Verschleissraten gezielt auf die Produktspezifikation abgestimmt werden. Elektropolierte Edelstahlflächen können die Reinigbarkeit verbessern und Anhaftungen reduzieren. Beschichtungen, technische Keramiken oder Polymerauskleidungen können ebenfalls geeignet sein, müssen aber hinsichtlich Abrieb, Partikelfreisetzung, chemischer Beständigkeit und Reinigbarkeit bewertet werden.
Auch Dichtungen, Lagerungen und Wellendurchführungen sind wichtige Kontaminationsquellen. Dichtsysteme müssen das Eindringen von Produkt in Lagerbereiche und den Eintrag von Schmierstoffen oder Abrieb in den Mischraum verhindern. Je nach Prozess können gasgespuelte Dichtungen, Sperrgassysteme oder beruehrungsarme Dichtkonzepte sinnvoll sein. Magnetabscheider im Produktstrom können ferromagnetische Fremdpartikel erfassen. Sie erkennen jedoch nicht alle metallischen oder nichtmetallischen Verunreinigungen und ersetzen daher keine vorbeugende Kontaminationsstrategie.
Eine gute Reinigbarkeit reduziert Kreuzkontaminationen zwischen unterschiedlichen Kathoden und Anodenchemien. Die geeignete Reinigungsmethode richtet sich nach Produkt, Binder, Lösemittel und geforderter Reinheit. Trockenreinigung, manuelle Reinigung, WIP oder CIP Konzepte sind jeweils auf ihre Eignung zu prüfen. Bei feuchteempfindlichen Materialien kann eine Nassreinigung zusätzliche Trocknungs und Freigabeschritte erfordern. Die Reinigungswirkung sollte mit einem dokumentierten Verfahren nachgewiesen werden.
Die ATEX Auslegung richtet sich nach einer Gefährdungsbeurteilung für das konkrete Produkt und den konkreten Prozess. Dabei werden unter anderem Staubexplosionsfähigkeit, Mindestzündenergie, maximaler Explosionsdruck, Mindestzündtemperatur, elektrische Leitfähigkeit und gegebenenfalls Loesemittelatmosphaeren bewertet. Der Innenraum eines Mischers kann bei staubexplosionsfaehigen Pulvern als Zone 20 eingestuft werden. Bereiche an Beschickung, Entleerung oder Filter können je nach Emissionsverhalten als Zone 21 oder Zone 22 bewertet werden. Bei Lösemitteln ist zusätzlich eine Bewertung möglicher Gas oder Dampfzonen erforderlich.
Ein wirksames Schutzkonzept kann Inertisierung, Zündquellenvermeidung und konstruktiven Explosionsschutz kombinieren. Bei der Inertisierung wird der Sauerstoffgehalt mit Stickstoff oder Argon unterhalb der für das Produkt ermittelten Sauerstoffgrenzkonzentration gehalten. Druckfeste oder vakuumfeste Bauweisen können dafür erforderlich sein. Eine druckstossfeste Ausführung, Explosionsdruckentlastung, Explosionsunterdrückung oder Entkopplung kommt in Betracht, wenn ein Explosionsereignis nicht sicher ausgeschlossen werden kann.
Alle leitfähigen Anlagenteile müssen in ein Erdungs und Potentialausgleichskonzept eingebunden sein. Dazu gehören Mischer, Werkzeuge, Rohrleitungen, Filter, Container und mobile Gebinde. Temperatur, Drehzahl, Vibration, Lager und Dichtungen können überwacht werden, um mechanische Zündquellen wie Reibung oder heisslaufende Bauteile frühzeitig zu erkennen. Die erforderliche Temperaturklasse ergibt sich aus den tatsächlichen Stoffeigenschaften und den maximal auftretenden Oberflächentemperaturen.
Eine allgemeingültige Empfehlung für einen einzelnen Mischertyp gibt es nicht. Für schonende Trockenmischungen eignen sich oft Konusschneckenmischer oder andere langsam arbeitende vertikale Systeme. Für intensive Trockenmischungen und höhere Durchsaetze kommen Pflugschar, Intensiv oder Doppelwellenmischer infrage. Für hochviskose Elektroden Slurries sind Planetenmischer, Dissolver und andere Dispergiersysteme geeignet.
Die beste Auswahl entsteht aus Versuchen mit Originalmaterial. Dabei sollten Mischgüte, Partikelschonung, Abrieb, Kontamination, Entleerbarkeit, Reinigbarkeit, Energieeintrag und ATEX Anforderungen gemeinsam bewertet werden. Nur so lässt sich der Mischer passend zur Rezeptur, zum Produktionsmassstab und zu den Sicherheitsanforderungen auslegen.
So mischt amixon® Batteriematerialien wie Kathoden und Anodenpulver kontaminationsarm, schonend und sicher
Batteriematerialien stellen hohe Anforderungen an die Mischtechnik. Kathoden und Anodenpulver sollen homogen verteilt, möglichst schonend behandelt und mit geringem Eintrag unerwünschter Fremdpartikel verarbeitet werden. Gleichzeitig können feine, leitfähige, abrasive oder feuchteempfindliche Pulver besondere Anforderungen an Explosionsschutz, Inertisierung, Dichtheit und Reinigbarkeit stellen.
amixon® projektiert Mischanlagen deshalb auf Basis der jeweiligen Rezeptur, der Rohstoffeigenschaften, der Reinheitsvorgaben, der Chargengroesse und des vorgesehenen Prozessablaufs. Im Mittelpunkt stehen insbesondere trockene Mischprozesse, Vormischungen, Homogenisierungen, Rezepturmischungen und gegebenenfalls kombinierte Misch und Vakuumprozesse.
Kontaminationsschutz durch abgestimmte Werkstoffe
Die Auswahl aller produktberuehrten Werkstoffe ist ein zentraler Bestandteil der Auslegung. Abhängig von Abrasivitaet, chemischer Beständigkeit und der zulässigen Kontamination können verschleissfeste Staehle, gehärtete Mischwerkzeuge, Hartmetallausführungen oder keramische Beschichtungen eingesetzt werden. Entscheidend ist dabei nicht allein die Verschleissfestigkeit. Ebenso wichtig ist die Bewertung, welche Partikel bei langfristiger mechanischer Beanspruchung in das Produkt gelangen könnten.
Kathoden und Anodenformulierungen können empfindliche Bestandteile wie Leitruesse, beschichtete Partikel oder sphärische Granulate enthalten. Die SinConvex® und SinConcave® Wendelmischwerkzeuge erzeugen eine grossraeumige Totalverstroemung. Sie erfassen das Produkt im gesamten Mischraum und unterstützen eine intensive, zugleich vergleichsweise schonende Umwälzung. Lokale Scher und Prallbeanspruchungen können dadurch reduziert werden.
Ziel ist eine reproduzierbare und statistisch gleichmaessige Mischung, auch bei unterschiedlichen Korngroessen, Schuettgewichten und Konzentrationen der Rezepturbestandteile. Ob die geforderte Mischgüte erreicht wird, hängt von Produkt, Rezeptur, Füllgrad und Mischzeit ab. Deshalb prüft amixon® kritische Mischaufgaben mit Originalprodukt im Technikum.
Nahezu restlose und entmischungsarme Entleerung
Die Mischgüte soll auch während der Entleerung erhalten bleiben. ComDisc® Elemente unterstützen die Restentleerung des Mischraums und können das Risiko einer Entmischung während des Austrags reduzieren. Der KoneSlid® KS ermöglicht eine schnelle Entleerung und kann die Bildung eines Schuettkegels im Mischer begrenzen.
Die erreichbare Restentleerung hängt immer von den Produkteigenschaften ab. Feuchte, Partikelform, Abrasivitaet, Kohesion und Rezeptur beeinflussen, wie viel Restprodukt im Mischer verbleibt. Durch die abgestimmte Auslegung von Mischraum, Mischwerk und Auslauforgan kann diese Menge jedoch deutlich reduziert werden. Das ist besonders relevant bei hochwertigen Aktivmaterialien, bei häufigen Rezepturwechseln und bei hohen Anforderungen an die Chargenreinheit.
ATEX, Inertisierung und Vakuumprozesse
Bei staubexplosionsfaehigen Pulvern oder loesemittelhaltigen Prozessen kann der Mischer für ein ATEX konformes Schutzkonzept ausgelegt werden. Ob der Mischraum als Zone 20 bewertet wird und welche Anforderungen an elektrische und mechanische Betriebsmittel bestehen, ergibt sich aus der Gefährdungsbeurteilung des konkreten Produkts und Prozesses.
Für oxidations oder feuchteempfindliche Aktivmaterialien kann unter Inertgas gearbeitet werden. Gasdichte Apparate der Baureihen VMT und AMT können für Vakuumbetrieb und Inertisierung ausgelegt werden. Je nach Bauart und Prozessanforderung sind Vakuumbereiche bis etwa 5 mbar absolut möglich. Damit lassen sich Mischen, Entgasen und gegebenenfalls Vakuum Mischtrocknung in einem geschlossenen Prozessraum verbinden.
Druckfeste oder druckstossfeste Ausführungen können Bestandteil eines ganzheitlichen Explosionsschutzkonzeptes sein. Die erforderliche Auslegung richtet sich nach den sicherheitstechnischen Kennwerten des Produkts, dem maximalen Explosionsdruck, dem Aufstellort sowie den Schnittstellen zu vor und nachgelagerten Anlagenteilen.
Baugrössen bis zur Grossproduktion
amixon® bietet Mischtechnik vom Technikumsmischer bis zur grossvolumigen Produktionsanlage. HM Doppelwellenmischer sind in Standardbaugrössen bis 20 Kubikmeter und als Sonderausführungen bis 50 Kubikmeter verfügbar. Der Gyraton® GM kann für grossvolumige Chargen im Bereich von etwa 10 bis 100 Kubikmetern ausgelegt werden.
Der Gyraton® Mischsilo wurde für die Homogenisierung grosser Pulverchargen entwickelt. Er kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn grosse Mengen an Vorprodukten, Rohstoffen oder Zwischenprodukten vor nachgelagerten Verfahrensschritten homogenisiert werden sollen. Eine gleichmaessige Eingangsmischung kann dazu beitragen, nachfolgende Prozesse stabiler zu fahren und Schwankungen in der Gesamtprozesskette zu reduzieren.
Der Gyraton® Mischsilo ersetzt jedoch keine spezialisierten Apparate für Nasschemie, Kalzination, Feinstvermahlung, Saureaufschluss, Flotation, Kristallisation oder Fällung. Seine Funktion liegt in der effizienten Homogenisierung und gegebenenfalls im kontrollierten Austrag grosser Schuettgutmengen.
Versuche mit Originalprodukt im Technikum
Vor der Investition prüft amixon® die Mischaufgabe mit Originalprodukt. Im Technikum am Stammsitz Paderborn stehen mehr als 30 Testanlagen in unterschiedlichen Baugroessen zur Verfügung. Ergänzend gibt es Technika in Japan, Indien, Thailand, China, Südkorea und den USA.
Die Versuche können mit realistischen Füllgraden, Chargengroessen sowie den vorgesehenen Temperatur und Druckbedingungen erfolgen. Bewertet werden Mischgüte, Produktschonung, Energieeintrag, Abrieb, Entleerbarkeit, Reinigbarkeit und Reproduzierbarkeit. Partikel und Kontaminationsanalysen des Betreibers oder externer Labore können in das Versuchskonzept eingebunden werden. Die dokumentierten Ergebnisse bilden eine belastbare Grundlage für die Auswahl und Auslegung der Produktionsanlage.
Hygienic Design als Grundlage
Das amixon® Hygienic Design unterstützt die Reinigbarkeit und die Minimierung von Produktresten. Mischraum und Mischwerk sind fugenlos verschweisst und verschliffen. Das Mischwerk ist ausschliesslich oben gelagert. Dadurch kann eine produktberuehrte untere Wellendurchführung entfallen.
Grosse Clever-Cut® Inspektionstueren mit OmgaSeal® Dichtungen schaffen einen guten Zugang zu den produktberuehrten Flächen. Totraumarme Auslauforgane und optional integrierte Waschlanzen unterstützen die Trocken oder Nassreinigung. Je nach Produkt und Marktanforderung kann die Anlage an hygienische, regulatorische und reinigungstechnische Anforderungen der Lebensmittel, Pharma, Chemie oder Batteriematerialproduktion angepasst werden.
amixon® verbindet damit langsame Drehbewegungen, eine hohe Mischgüte, geringe Restmengen, kontaminationsarme Konstruktionen und eine auf ATEX, Inertisierung, Druckfestigkeit oder Druckstossfestigkeit auslegbare Mischtechnik. Besonders effizient ist amixon® bei trockenen, anspruchsvollen Pulverhomogenisierungen und bei grossvolumigen Mischaufgaben, bei denen Produktschonung, kontrollierte Entleerung, Reinigbarkeit und Prozesssicherheit entscheidend sind.