¿Existen mezcladores continuos que combinen caudales elevados y tiempos de permanencia cortos con una calidad de mezcla reproducible para materiales de baterías?
Sí. Los sistemas continuos de mezclado y de dispersión pueden combinar para los materiales de baterías rendimientos elevados, instalaciones compactas y una calidad de producto reproducible. Su idoneidad depende sin embargo de forma esencial de si se procesan polvos secos, slurries de electrodo de alta viscosidad, soluciones de aglutinante o electrolitos.
Para los slurries de electrodo se emplean con frecuencia mezcladores intensivos continuos, extrusoras de doble husillo o sistemas rotor-estator. Las extrusoras de doble husillo permiten transportar, humectar, amasar y dispersar en un proceso continuo. Sus módulos de husillo se pueden adaptar a la formulación correspondiente, al contenido de sólidos y a la solicitación de cizalla exigida. Son especialmente adecuadas para los slurries de alta viscosidad y para las tareas de dispersión exigentes, pero deben dimensionarse de modo que las partículas, las estructuras de negro de carbón conductor o los aglutinantes no se vean perjudicados por una aportación excesiva de energía. El empleo de extrusoras para el mezclado continuo de slurries se investiga cada vez más en la fabricación de celdas de batería; el control y la optimización del proceso siguen considerándose una tarea de desarrollo importante.
Los sistemas rotor-estator son adecuados sobre todo para incorporar, humectar y dispersar con rapidez polvos en líquidos. La elevada cizalla local puede disgregar los aglomerados y acortar de forma notable el tiempo de dispersión. El tiempo de permanencia en la holgura de cizalla es muy corto, pero el tiempo total de proceso necesario se determina por la formulación, la aportación de sólidos, la tarea de dispersión y, en su caso, los recirculados necesarios o una homogeneización posterior. Una afirmación genérica de que cualquier slurry queda dispersado «en tiempo real» no sería por tanto sólida.
Para los procesos de electrodo seco o para la premezcla de componentes en polvo entran en consideración los mezcladores continuos de palas, de paletas o rápidos. Trabajan con volúmenes de mezclado pequeños y tiempos medios de permanencia que van con frecuencia de pocos segundos a en torno a un minuto. En un ejemplo documentado, los tiempos medios de permanencia se sitúan entre 5 y 50 segundos; están influidos por el rendimiento, el nivel de llenado, la velocidad de giro y la geometría de salida.
La reproducibilidad depende menos del tipo de mezclador por sí solo que del proceso en su conjunto. Son requisitos previos unas corrientes de material reguladas gravimétricamente y estables en el tiempo, un funcionamiento estacionario definido, una distribución controlada del tiempo de permanencia así como magnitudes de medición y de regulación adecuadas. Habitualmente se vigilan el rendimiento, la velocidad de giro, el par, la temperatura y –según el producto– la densidad, la viscosidad, la conductividad o las señales espectroscópicas. La distribución del tiempo de permanencia debería determinarse mediante ensayos con trazador, ya que influye en la rapidez con la que un proceso alcanza un estado estable después del arranque o de un cambio de formulación.
Los mezcladores estáticos pueden resultar razonables como etapa posterior de homogeneización con líquidos de viscosidad baja a media. Requieren sin embargo una dosificación uniforme y no pueden compensar los errores de dosificación ni una premezcla insuficiente. Para los slurries de electrodo de alta viscosidad y ricos en sólidos no son por lo general una alternativa completa a los sistemas de dispersión dinámicos.
Los sistemas continuos pueden reducir, frente a las grandes instalaciones por lotes, la necesidad de espacio y la cantidad de material en proceso. Los recorridos de producto cerrados facilitan además el manejo de los polvos que generan polvo o de los slurries que contienen disolventes. La ventaja concreta debe demostrarse sin embargo para cada química: los sistemas NMC, LFP, de grafito y de silicio se diferencian de forma notable en cuanto al contenido de sólidos, la tendencia a la aglomeración, la sensibilidad a la cizalla y la reología objetivo.
AMK: rendimiento y tiempo de permanencia ajustables por separado
El mezclador continuo AMK de amixon® permite un rendimiento elevado con un tiempo de permanencia corto y una homogeneidad constantemente alta. El rendimiento y el tiempo de permanencia son ajustables de forma independiente entre sí. La gama AMK va desde el AMK 50, con un rendimiento de aproximadamente 1–3 m³/h, hasta el AMK 3000, con unos 45–135 m³/h. El tiempo de permanencia es independiente de la frecuencia de giro de las herramientas de mezclado; la intensidad de mezclado y el rendimiento se pueden regular por separado. Para las tareas de mezclado sencillas, el tiempo de permanencia se puede mantener corto; para las formulaciones complejas con muchos sólidos y líquidos se prolonga de forma selectiva. El órgano mezclador SinConcave®/SinConvex® genera la misma recirculación forzada tridimensional que en los mezcladores de lotes de amixon®. La calidad de mezcla es reproducible y corresponde a una mezcla aleatoria técnicamente ideal con una distribución del tiempo de permanencia definida y amplia.
AMK: ajustar de forma independiente la intensidad de mezclado y el tiempo de permanencia
El mezclador continuo AMK de amixon® está concebido para procesos continuos en los que deben coincidir rendimientos elevados, un tiempo medio de permanencia definido y una homogeneidad reproducible. Su ventaja particular radica en que la intensidad de mezclado y el tiempo de permanencia se pueden ajustar por separado: la velocidad de giro de la herramienta de mezclado determina sobre todo la intensidad del movimiento del producto, mientras que el nivel de llenado, la regulación de la descarga y el rendimiento influyen en el tiempo medio de permanencia.
Con ello, el AMK se puede dimensionar tanto para tareas de mezclado cortas como para formulaciones complejas con varios sólidos y líquidos. La serie AMK abarca –según el tamaño constructivo y el proceso– desde rendimientos pequeños de en torno a 1 m³/h hasta unos 135 m³/h. Para las tareas de mezclado exigentes se pueden prever tiempos medios de permanencia de hasta varios minutos.
Sin las pérdidas de arranque habituales
Una característica particular del AMK es su arranque de producción regulado. Al comienzo, la descarga permanece cerrada. Los dosificadores gravimétricos arrancan simultáneamente con un caudal másico reducido y ajustan entre sí sus proporciones de dosificación. En cuanto el mezclador está lleno aproximadamente hasta la mitad, el órgano mezclador comienza a trabajar; con en torno al 80 % del grado de llenado de trabajo, la descarga se abre de forma escalonada. A continuación se mantiene constante el grado de llenado y se aumenta el rendimiento hasta el valor previsto.
De ese modo, el producto se puede descargar ya desde el inicio de la producción dentro de la calidad de mezcla pretendida. Las cantidades de arranque fuera de especificación, que en los procesos de mezclado continuos se producen con frecuencia, se pueden evitar o reducir de forma considerable. También al final controlado de la producción se puede vaciar el mezclador de forma continua.
Un tiempo de permanencia largo como amortiguador de mezcla
El AMK utiliza un nivel de producto definido como cámara de mezclado activa. Un tiempo medio de permanencia suficientemente dimensionado favorece la homogeneización de las formulaciones complejas y puede amortiguar en el tiempo las variaciones de dosificación inevitables a corto plazo. Esto resulta especialmente ventajoso con muchos componentes, con microadiciones o al incorporar pequeñas cantidades de líquido.
La distribución real del tiempo de permanencia depende sin embargo siempre del producto y del proceso. En las aplicaciones exigentes debería investigarse con el producto original, por ejemplo mediante ensayos con trazador. Lo decisivo no es únicamente un tiempo de permanencia largo, sino la relación ajustada entre la constancia de la dosificación, el grado de llenado, el rendimiento, la intensidad de mezclado y el comportamiento de descarga.
Respetuoso con el producto o intensivo
El órgano mezclador SinConcave®/SinConvex® genera un movimiento tridimensional del producto y favorece una mezcla uniforme así como un vaciado residual muy bueno. La intensidad de mezclado se puede adaptar desde una homogeneización especialmente suave hasta la desaglomeración selectiva. Las herramientas de mezclado SinConcave® alcanzan en las aplicaciones adecuadas grados de vaciado residual de hasta el 99,997 %.
El AMK puede procesar productos secos, húmedos y en suspensión. Los líquidos se pueden introducir de forma controlada en la cámara de mezclado; si resulta razonable termorregular, secar o hacer reaccionar adicionalmente depende de la ejecución del aparato acordada en concreto y de la tarea de proceso. La cámara de mezclado se puede ejecutar para la zona 20.
Prueba con el producto original
amixon® comprueba el proceso de mezclado continuo en el centro de ensayos con el producto original. En ello se investigan en particular la homogeneidad, el comportamiento de dosificación y de descarga, el tiempo de permanencia necesario, la protección del producto, la incorporación de líquidos y la limpiabilidad. Así se puede demostrar antes de la inversión si el AMK alcanza de forma reproducible la calidad de mezcla deseada en todo el rango de rendimiento previsto.