En la fabricación de baterías de iones de litio, los procesos de mezclado de los materiales de cátodo y ánodo son determinantes para la calidad y relevantes para la seguridad. Los mezcladores adecuados deben alcanzar la calidad de mezcla necesaria, proteger las partículas en la medida de lo posible, limitar la entrada de sustancias extrañas no deseadas e integrarse en un concepto de protección contra explosiones adecuado.

Los materiales de cátodo como el NMC, el NCA, el LFP o el LCO, así como los materiales de ánodo como el grafito, los compuestos de silicio o el titanato de litio, se diferencian claramente en cuanto al tamaño de partícula, el peso a granel, la abrasividad, la sensibilidad a la humedad y la conductividad eléctrica. Por ello, la contaminación admisible y la intensidad de mezclado necesaria deben determinarse para cada formulación y etapa del proceso. No todos los productos de batería tienen automáticamente capacidad de explosión de polvo ni son especialmente sensibles a la humedad. Esto debe evaluarse sobre la base de las propiedades reales del material.

Para el mezclado en seco de materiales activos, aditivos conductores y otros componentes en polvo entran en consideración varios principios de mezclado. Los mezcladores de husillo cónico son especialmente adecuados para partículas sensibles a la cizalla, recubiertas o frágiles. Su movimiento de mezclado lento permite una recirculación tridimensional suave del producto. Son especialmente útiles cuando prevalecen una baja solicitación mecánica y una buena capacidad de vaciado.

Los mezcladores de rejas de arado y los mezcladores intensivos ofrecen una elevada intensidad de mezclado y tiempos de mezclado cortos. Pueden ser adecuados para polvos de fluidez buena a moderada, así como para formulaciones con aditivos y aglomerados. Sin embargo, las herramientas de trituración adicionales solo deben emplearse cuando se hayan estudiado suficientemente el aporte de energía necesario, la posible abrasión y el efecto sobre la estructura de partícula.

Los mezcladores de paletas de doble eje pueden ser una buena solución para lotes más grandes y rendimientos elevados. Generan un movimiento de producto convectivo intenso y pueden emplearse como mezcladores por lotes o, en conceptos adaptados, también para procesos continuos. En ello son decisivas una carga uniforme, un diseño de descarga adecuado y el control de una posible segregación.

Los mezcladores de contenedor y de tambor resultan especialmente interesantes en lotes pequeños, cantidades de desarrollo y cambios frecuentes de producto. Cuando el recipiente sirve simultáneamente como recipiente de transporte y de mezclado, pueden reducirse los pasos de trasvase. Esto disminuye las interfaces abiertas, el esfuerzo de limpieza y las posibles contaminaciones cruzadas. Los mezcladores de resonancia acústica pueden ser una alternativa en lotes pequeños y tareas de mezclado especiales. Dado que en el recipiente no giran herramientas de mezclado en contacto con el producto, puede reducirse la abrasión mecánica de las herramientas. Sin embargo, su idoneidad en cuanto a rendimiento, tamaño de recipiente y formulación debe comprobarse caso por caso.

Para la fabricación de slurry rigen requisitos distintos a los del mezclado en seco. El material activo, los aditivos conductores, el aglutinante y el disolvente deben humectarse, dispersarse y, en su caso, desgasificarse. Los mezcladores planetarios y de doble planetario son adecuados para pastas de electrodo de alta viscosidad, especialmente cuando debe trabajarse al vacío. Los dispersores, disolvedores o sistemas rotor-estator pueden favorecer la humectación y la disolución de aglomerados. Con requisitos de dispersión muy elevados puede ser necesaria una molienda húmeda posterior.

El control de la contaminación comienza con la selección de todos los materiales en contacto con el producto. El acero inoxidable puede ser adecuado para muchas aplicaciones, pero no es automáticamente la mejor elección. Cuando determinados metales o partículas metálicas son críticos, los materiales, las superficies y las tasas de desgaste admisibles deben adaptarse de forma específica a la especificación del producto. Las superficies de acero inoxidable electropulidas pueden mejorar la limpiabilidad y reducir las adherencias. Los recubrimientos, las cerámicas técnicas o los revestimientos poliméricos también pueden ser adecuados, pero deben evaluarse en cuanto a la abrasión, la liberación de partículas, la resistencia química y la limpiabilidad.

También las juntas, los apoyos y los pasos de eje son fuentes importantes de contaminación. Los sistemas de estanqueidad deben impedir la entrada de producto en las zonas de los cojinetes y la entrada de lubricantes o abrasión en la cámara de mezclado. Según el proceso, pueden ser útiles las juntas barridas por gas, los sistemas de gas de barrera o los conceptos de estanqueidad de bajo contacto. Los separadores magnéticos en el flujo de producto pueden captar partículas extrañas ferromagnéticas. Sin embargo, no detectan todas las impurezas metálicas o no metálicas y, por ello, no sustituyen una estrategia preventiva de contaminación.

Una buena limpiabilidad reduce la contaminación cruzada entre distintas químicas de cátodo y ánodo. El método de limpieza adecuado se orienta según el producto, el aglutinante, el disolvente y la pureza exigida. La limpieza en seco, la limpieza manual y los conceptos WIP o CIP deben comprobarse en cuanto a su idoneidad en cada caso. En materiales sensibles a la humedad, una limpieza en húmedo puede requerir pasos adicionales de secado y liberación. El efecto de la limpieza debería demostrarse mediante un procedimiento documentado.

El diseño ATEX se orienta según una evaluación de riesgos para el producto y el proceso concretos. En ella se evalúan, entre otros, la capacidad de explosión de polvo, la energía mínima de ignición, la presión máxima de explosión, la temperatura mínima de ignición, la conductividad eléctrica y, en su caso, las atmósferas de disolvente. El espacio interior de un mezclador puede clasificarse como zona 20 en polvos con capacidad de explosión de polvo. Las zonas de carga, descarga o filtración pueden evaluarse, según el comportamiento de emisión, como zona 21 o zona 22. En los disolventes se requiere, además, una evaluación de las posibles zonas de gas o de vapor.

Un concepto de protección eficaz puede combinar la inertización, la prevención de fuentes de ignición y la protección constructiva contra explosiones. En la inertización, el contenido de oxígeno se mantiene con nitrógeno o argón por debajo de la concentración límite de oxígeno determinada para el producto. Para ello pueden ser necesarias construcciones resistentes a la presión o al vacío. Una ejecución resistente a la onda de presión, el alivio de la presión de explosión, la supresión de la explosión o el desacoplamiento entran en consideración cuando no puede excluirse con seguridad un evento de explosión.

Todas las partes conductoras de la instalación deben integrarse en un concepto de puesta a tierra y compensación de potencial. Entre ellas figuran el mezclador, las herramientas, las tuberías, los filtros, los contenedores y los envases móviles. La temperatura, la velocidad de giro, la vibración, los cojinetes y las juntas pueden supervisarse para detectar de forma temprana fuentes de ignición mecánicas, como la fricción o los componentes recalentados. La clase de temperatura necesaria se deriva de las propiedades reales de la sustancia y de las temperaturas superficiales máximas que puedan producirse.

No existe una recomendación universalmente válida para un único tipo de mezclador. Para mezclas en seco suaves suelen ser adecuados los mezcladores de husillo cónico u otros sistemas verticales de funcionamiento lento. Para mezclas en seco intensas y rendimientos más elevados entran en consideración los mezcladores de rejas de arado, intensivos o de doble eje. Para slurries de electrodo de alta viscosidad son adecuados los mezcladores planetarios, los disolvedores y otros sistemas de dispersión.

La mejor selección surge de ensayos con el material original. En ellos deberían evaluarse conjuntamente la calidad de mezcla, la protección de las partículas, la abrasión, la contaminación, la capacidad de vaciado, la limpiabilidad, el aporte de energía y los requisitos ATEX. Solo así puede diseñarse el mezclador de forma adecuada a la formulación, la escala de producción y los requisitos de seguridad.