Para los materiales de baterías no existe un sistema de mezclado universalmente óptimo. La tecnología adecuada depende de forma decisiva de si se procesan polvos de electrodo secos, premezclas o mezclas secas, o bien slurries de electrodo que ya contienen disolvente o agua. Para los aditivos conductores muy finos y cohesivos, como el negro de carbono conductor y los CNT, la desaglomeración dirigida suele ser el paso crítico. Para la homogeneización final del material activo, el aditivo conductor y el aglutinante, en cambio, un orden de adición definido, un aporte de energía controlado, una conducción de proceso cerrada y la protección frente a la contaminación metálica suelen ser más importantes que la máxima intensidad de mezclado.

Polvos de electrodo secos

Para las mezclas secas de cátodo y ánodo pueden emplearse mezcladores intensivos horizontales, mezcladores de rejas de arado con herramientas de trituración conectables, así como mezcladores verticales o cónicos con recirculación convectiva controlada. Lo decisivo es que todo el volumen del lote llegue repetidamente a la zona de mezclado activa y que los aglomerados de los aditivos conductores finos puedan desintegrarse de forma dirigida.

Los mezcladores intensivos con principio de alta cizalla o de lecho fluidizado son especialmente adecuados cuando los aglomerados de negro de carbono conductor deben dispersarse de forma fiable. Generan una solicitación local alta y pueden distribuir el carbon black en la superficie del material activo. Un estudio industrial sobre la fabricación de slurry de cátodo describe, por ejemplo, una breve fase de mezclado en seco con velocidad de giro de herramienta moderada, para homogeneizar el material activo y el aglutinante y romper los aglomerados gruesos de negro de carbono conductor. No obstante, la intensidad de cizalla necesaria debe limitarse estrechamente, para que la morfología de partícula, la estructura cristalina y la superficie deseada del material activo no se alteren de forma desfavorable.

Los mezcladores de rejas de arado con herramientas de trituración o chopper son una opción robusta para lotes de mayor tamaño. Las rejas de arado generan una fuerte recirculación convectiva, mientras que los choppers solo se conectan cuando es necesario disolver aglomerados de forma dirigida. Esta separación entre el mezclado base y una desaglomeración localmente limitada es ventajosa, porque el lote total no queda sometido de forma permanente a una elevada solicitación mecánica. Para los materiales de cátodo abrasivos, la instalación debe ejecutarse en ello con bajo desgaste y compatible con la contaminación, ya que la abrasión de la herramienta o de la pared puede generar partículas metálicas extrañas críticas.

Los mezcladores cónicos y verticales con herramientas de cinta helicoidal o helicoidales son adecuados para mezclas secas cuidadosas, premezclas y la homogeneización de materiales activos sensibles. Ofrecen un movimiento de producto convectivo tridimensional con una solicitación mecánica comparativamente baja. Sin embargo, para nanopartículas fuertemente cohesivas, CNT o aglomerados firmes de negro de carbono conductor, no siempre son suficientes por sí solos. En tales casos es necesaria una dispersión intensiva previa, una etapa de mezclado intensivo local o un pretratamiento coordinado de los aditivos finos.

Los mezcladores continuos de doble eje o de doble husillo pueden resultar razonables con caudales altos, cuando la dosificación, el efecto de mezclado y el tiempo de permanencia se dominan con precisión. Ofrecen una conducción de proceso cerrada y reducen el almacenamiento intermedio de materiales ya mezclados. Sin embargo, la homogeneidad real depende en gran medida de la precisión de dosificación gravimétrica, la distribución de tiempos de permanencia, el diseño de los elementos de mezclado y la estabilidad del suministro de materia prima. Una extrusora de doble husillo es especialmente relevante cuando la mezcla se compunde posteriormente o se lleva a un estado plástico o pastoso; para un mezclado en seco puro y cuidadoso no es automáticamente la mejor opción.

Slurry y pasta

Para los slurries de cátodo y ánodo están especialmente extendidos los mezcladores planetarios, los mezcladores doble planetarios, los disolvedores planetarios y los mezcladores centrífugos planetarios. Combinan la recirculación macroscópica con un efecto de cizalla local alto y a menudo pueden operarse en vacío. El vacío reduce el aire atrapado y favorece un recubrimiento con pocas burbujas. Los mezcladores planetarios se consideran una solución establecida para los slurries de baterías, porque pueden desintegrar los aglomerados de negro de carbono conductor y, en una fase de amasado intensiva, también procesar el material activo.

El orden de mezclado tiene una fuerte influencia en la microestructura y el rendimiento del electrodo. En los slurries de cátodo NMC, una adición escalonada de polvos a una solución de aglutinante, con la correspondiente menor solicitación de cizalla en las primeras fases del proceso, condujo en un estudio a mejores propiedades mecánicas y electroquímicas que un proceso en el que primero se mezclaban todos los polvos y el disolvente se añadía solo después. En otros estudios se demostró que el orden de negro de carbono, aglutinante y NMC influye en la distribución de la red conductora, la unión a las partículas de material activo y la capacidad de corriente alta. Por ello, el orden óptimo debe determinarse de forma experimental para cada sistema de materiales —por ejemplo NMC, NCA, LFP, grafito, grafito-silicio, PVDF/NMP o sistemas acuosos CMC/SBR—.

En los aditivos conductores muy finos puede resultar razonable un paso de dispersión previo. Los mezcladores de alta cizalla o de película delgada se emplean para romper los aglomerados de carbon black antes de la adición del material activo, porque el mezclado planetario por sí solo no siempre disuelve por completo los aglomerados a escala nanométrica. Por ello, un concepto empleado con frecuencia industrialmente combina una predispersión intensiva del aditivo conductor con la posterior homogeneización final planetaria y desgasificación.

Contaminación y seguridad

Para todos los materiales de baterías son importantes los sistemas cerrados, estancos al polvo y, en su caso, inertizables. Los polvos de cátodo y ánodo pueden ser sensibles a la humedad, críticos frente a la oxidación, peligrosos para la salud, abrasivos o susceptibles de explosión de polvo. Por ello, el mezclador debería ajustarse al sistema de materiales específico. Esto incluye la selección de material adecuada, superficies de contacto con el producto de bajo desgaste, el menor número posible de juntas y puntos de apoyo en contacto con el producto, una carga y descarga controladas, así como la evitación de alturas de caída y vibraciones innecesarias.

La abrasión metálica debe minimizarse en particular en los materiales de cátodo y ánodo de alta pureza. Las superficies resistentes a la abrasión, los recubrimientos cerámicos adecuados, las velocidades de giro efectivas bajas y una distancia herramienta-pared constructivamente controlada pueden limitar la entrada de partículas metálicas extrañas. Toda la periferia —dosificación, tamizado, técnica de transporte, filtros, contenedores, válvulas y herramientas de mantenimiento— también forma parte del concepto de contaminación. La idoneidad no puede deducirse únicamente de la calidad de mezcla; debe comprobarse mediante analítica elemental y de partículas tras tiempos de servicio realistas.

Criterios de selección

Para las mezclas secas de cátodo con negro de carbono conductor y aglutinante, suele ser eficaz una combinación de mezclado base convectivo controlado y desaglomeración dirigida. Un mezclador intensivo o un mezclador de rejas de arado con chopper puede ser adecuado cuando deben romperse los aglomerados de negro de carbono conductor. Para las mezclas secas sensibles o críticas en cuanto a la abrasión, un mezclador vertical o cónico cuidadoso, con una premezcla previa del aditivo conductor, puede ser la mejor opción. Para los materiales de ánodo con grafito o grafito-silicio se aplica la misma lógica básica, si bien la sensibilidad de las partículas, la estructura superficial deseada y el riesgo de abrasión deben comprobarse con especial cuidado.

Para los slurries, los mezcladores planetarios y los disolvedores planetarios suelen ser la solución preferida. En dispersiones especialmente difíciles de negro de carbono conductor o de CNT puede anteponerse una etapa separada de alta cizalla o de película delgada. Los procesos continuos de doble husillo resultan interesantes cuando se requieren altos caudales, distribuciones de tiempo de permanencia cortas y estrechas, dosificación constante y una producción cerrada de principio a fin. No obstante, requieren un desarrollo de proceso cuidadoso y una dosificación gravimétrica robusta.

La calidad de mezcla no debería evaluarse únicamente mediante una única muestra global. Los ensayos relevantes incluyen la distribución del aditivo conductor y del aglutinante, el tamaño de aglomerado, la distribución del tamaño de partícula, la reología y la estabilidad frente a la sedimentación en los slurries, la humedad residual, el contenido de oxígeno, la contaminación metálica y, en su caso, las propiedades eléctricas del electrodo resultante. En definitiva, lo decisivo no es solo una mezcla homogénea, sino una microestructura de electrodo reproducible y el rendimiento de celda que de ella se derive.