Quelles solutions existent pour les exigences ATEX et d'inertage lors du mélange de matériaux de batterie ?
Lors de la fabrication et du traitement de matériaux de batterie, des poussières combustibles, des poudres conductrices, des composants sensibles à l'humidité ainsi que des suspensions (slurries) contenant des solvants peuvent apparaître. Les solides typiques sont le NMC, le NCA, le LFP, le graphite ou les composites de silicium. La question de savoir si un risque d'explosion, une sensibilité à l'humidité ou une réactivité particulière en résulte doit être évaluée séparément pour chaque recette et chaque étape de procédé.
Les procédés dans lesquels des poussières combustibles et des vapeurs de solvant peuvent apparaître simultanément sont particulièrement exigeants. De tels mélanges hybrides peuvent être soumis à des exigences de sécurité plus strictes que les atmosphères de poussière ou de gaz seules. Le concept de protection doit donc considérer l'ensemble du procédé, y compris l'alimentation, le mélangeur, la vidange, la technique de convoyage, les installations de filtration et l'environnement de salle sèche.
La base en est une évaluation des risques spécifique à la substance. Les valeurs caractéristiques pertinentes sont par exemple la valeur Kst, la pression maximale d'explosion, l'énergie minimale d'inflammation, la température minimale d'inflammation, la résistance électrique et la concentration limite en oxygène. Pour les procédés contenant des solvants, les limites d'explosivité, le point d'éclair et le comportement d'évaporation doivent en outre être pris en compte.
Protection primaire contre les explosions par inertage
L'inertage doit empêcher la formation d'une atmosphère inflammable dans l'espace de procédé. La teneur en oxygène dans le mélangeur et les parties d'installation raccordées est maintenue à cet effet en dessous de la concentration limite en oxygène déterminée pour le produit concret. Des valeurs limites d'oxygène générales ne sont pas suffisantes, car le type de poussière, le solvant, la température, la pression et la taille des particules influencent le dimensionnement requis.
L'azote est le plus souvent utilisé comme gaz inerte. Pour les matériaux susceptibles de réagir avec l'azote, par exemple pour les applications avec du lithium élémentaire, l'argon peut être nécessaire. Les procédés appropriés sont l'inertage par balayage, l'inertage par cycles de pression avec mise sous vide puis remplissage, ainsi que le balayage continu pendant les procédés en cours.
La teneur en oxygène est surveillée par une technique de mesure et d'analyse appropriée. Des capteurs de point de rosée ou d'humidité complètent la mesure lorsque le produit exige de faibles valeurs d'humidité résiduelle. Les valeurs de mesure sont reliées à la commande. Les étapes de procédé critiques ne doivent démarrer qu'après avoir atteint les valeurs de validation fixées. En cas de dépassement des valeurs limites, l'installation doit passer dans un état sûr défini.
Protection secondaire contre les explosions par évitement des sources d'inflammation
Si une atmosphère explosive ne peut pas être exclue de façon sûre, les sources d'inflammation efficaces doivent être évitées. La classification en zones dépend de la probabilité, de la durée et de l'étendue des atmosphères explosives. L'intérieur d'un mélangeur peut par exemple être classé en zone 20 pour les produits susceptibles de former des poussières explosibles. Les zones au niveau des points d'alimentation, de vidange et de filtration peuvent être classées en zone 21 ou en zone 22. Pour les solvants combustibles, une évaluation des zones de gaz ou de vapeur possibles est en outre nécessaire.
Le mélangeur, les outils de mélange, les tuyauteries, les filtres, les conteneurs et les contenants mobiles doivent être intégrés dans un concept cohérent d'équipotentialité et de mise à la terre. Les tuyaux flexibles, joints et revêtements doivent être choisis de manière à ne pas favoriser de charges électrostatiques inadmissibles. Les matériels électriques doivent être adaptés à la zone concernée. Les sources d'inflammation mécaniques telles que le frottement, les chocs, les paliers en surchauffe ou les défauts de joints doivent également être évaluées et, le cas échéant, surveillées.
Protection constructive contre les explosions
La protection constructive contre les explosions constitue un niveau de protection supplémentaire lorsqu'un événement explosif ne peut pas être exclu de façon suffisamment sûre malgré l'inertage et l'évitement des sources d'inflammation. L'installation peut être réalisée résistante aux chocs de pression ou équipée d'une décharge de pression d'explosion, d'une suppression d'explosion et d'un découplage.
Des disques de rupture ou des clapets d'explosion évacuent la pression vers des zones adaptées. En cas d'installation intérieure, des dispositifs de décharge sans flamme ou des systèmes de suppression d'explosion peuvent être nécessaires. Des vannes à fermeture rapide, des barrières à agent extincteur ou d'autres systèmes appropriés empêchent la transmission des flammes et de la pression aux parties d'installation en amont ou en aval. L'aptitude de chaque mesure de protection doit être démontrée pour le produit concret et la configuration de l'installation.
Mélanges hybrides et technique de salle sèche
Les mélanges hybrides de poussière et de vapeur de solvant peuvent présenter un comportement à l'inflammation modifié. Même de faibles proportions de vapeur peuvent abaisser l'énergie minimale d'inflammation d'un mélange de poussière. Le dimensionnement de l'inertage et des mesures de protection doit donc tenir compte du scénario réaliste le plus défavorable.
Des systèmes d'alimentation et de vidange fermés réduisent les émissions de poussière, les pertes de produit et la pénétration d'air ambiant humide. Selon le procédé, des systèmes d'accostage de conteneurs étanches, des sas, des boîtes à gants ou des isolateurs sont utilisés. Pour les matériaux très sensibles à l'humidité, le mélangeur peut être intégré dans une salle sèche. La salle sèche et l'inertage du procédé doivent être coordonnés en ce qui concerne les cascades de pression, le transfert de matière et la conduite de l'air évacué.
Le concept de sécurité comme système global
Un concept sûr pour le mélange de matériaux de batterie combine la caractérisation des matériaux, l'évaluation des risques, le concept de zones, l'inertage, l'évitement des sources d'inflammation et, le cas échéant, la protection constructive contre les explosions. Tous les composants pertinents pour la sécurité doivent être contrôlables, maintenables et intégrés dans des consignes d'exploitation claires. L'interaction coordonnée entre les propriétés du matériau, la conduite du procédé, le mélangeur, la périphérie et l'environnement est déterminante.
Ainsi amixon® mélange les matériaux de batterie : poudres de cathode et d'anode à faible contamination, avec ménagement et sans ségrégation
Les matériaux de batterie posent des exigences élevées à la technique de mélange et au concept d'installation. Les poudres de cathode et d'anode ne doivent, autant que possible, absorber aucune abrasion métallique, les structures de particules sensibles doivent être préservées, et le mélange doit pouvoir être vidangé complètement et sans ségrégation notable. amixon® combine à cet effet des mouvements de mélange lents, une circulation totale intensive, des matériaux peu sujets à l'usure et une construction conçue pour la vidange résiduelle.
La protection contre la contamination commence par le matériau
Les contaminations métalliques peuvent nuire à la qualité du produit dans les matériaux de batterie. C'est pourquoi le choix des matériaux chez amixon® est adapté aux propriétés du produit concerné. Selon l'abrasivité et l'exigence de pureté, des matériaux résistants à l'usure, des outils de mélange trempés ou garnis de carbure ainsi que des revêtements céramiques sur les surfaces particulièrement sollicitées entrent en ligne de compte.
Rotation lente et qualité de mélange idéale
La rotation lente est une caractéristique centrale de la technique de mélange amixon®. Elle associe un traitement ménageant du produit à un brassage intensif de l'ensemble du volume de mélange. La circulation totale SinConvex® saisit le produit sur l'ensemble de la chambre de mélange et peut nettement réduire les zones locales de cisaillement et d'impact.
Cela est particulièrement avantageux pour les formulations de cathode et d'anode contenant des composants sensibles tels que le noir de carbone conducteur, des particules revêtues ou des granulés sphériques. Une qualité de mélange très élevée peut également être atteinte pour des tailles de particules et des densités différentes. L'objectif est une répartition reproductible et statistiquement uniforme de tous les composants de la recette, avec une sollicitation mécanique du produit aussi faible que possible.
Une vidange quasi complète et peu sujette à la ségrégation
Une qualité de mélange élevée ne doit pas être perdue lors de l'évacuation. C'est pourquoi la vidange constitue chez amixon® un élément essentiel du concept de mélange. Les éléments ComDisc® favorisent l'évacuation du produit résiduel de la chambre de mélange et réduisent le risque de ségrégation pendant la phase d'évacuation.
Le KoneSlid® KS permet une vidange très rapide du mélangeur. Le temps d'évacuation court peut limiter la formation de cône d'écoulement et les effets de séparation ultérieurs. Le produit parvient ainsi de façon aussi complète, homogène et reproductible que possible au procédé suivant ou dans le contenant prévu. La vidange résiduelle atteignable dépend toujours du produit, de la recette, de l'humidité, de la structure des particules et de la configuration de l'installation.
Réalisation résistante à la pression ou aux chocs de pression
Des poussières fines et combustibles, des atmosphères de solvant ou des matériaux actifs sensibles à l'oxydation peuvent apparaître avec les matériaux de batterie. C'est pourquoi le mélangeur peut être dimensionné de façon spécifique au projet pour l'inertage, le fonctionnement sous vide ainsi que des exigences de résistance à la pression ou aux chocs de pression.
Une exécution résistante à la pression est dimensionnée pour des pressions internes définies et peut être nécessaire par exemple pour les procédés sous vide, l'inertage ou une conduite de procédé étanche aux gaz. Une exécution résistante aux chocs de pression fait partie d'un concept de protection contre les explosions lorsque le mélangeur doit maîtriser les effets mécaniques d'une pression d'explosion définie. Le type de construction nécessaire résulte de l'évaluation des risques, des valeurs caractéristiques de sécurité du produit et du concept de protection contre les explosions de l'ensemble de l'installation.
Avec un dimensionnement approprié, la chambre de mélange peut convenir aux applications en zone ATEX 20. Pour les matériaux sensibles à l'oxydation ou à l'humidité, le produit à mélanger peut être inerté. Des appareils étanches aux gaz tels que le VMT et l'AMT peuvent en outre permettre des procédés sous vide et un séchage-mélange sous vide dans le même espace de procédé. Cela permet de réduire les étapes de transvasement, les interfaces et les sources potentielles de contamination.
Des tailles d'appareil jusqu'à l'échelle de la gigafactory
amixon® propose une technique de mélange allant du mélangeur de halle d'essais à l'installation de production de grand volume. Les mélangeurs à double arbre HM sont disponibles en tailles standard jusqu'à 20 mètres cubes et en tailles spéciales jusqu'à 50 mètres cubes. Le Gyraton® GM peut être dimensionné pour de grandes charges et convient également aux masses de batterie dans une plage d'environ 10 à 100 mètres cubes.
Le dimensionnement est testé avant l'investissement dans la halle d'essais amixon® avec le produit d'origine. La qualité de mélange, le ménagement du produit, l'abrasion, la vidange résiduelle, l'inertage et la nettoyabilité peuvent ainsi être évalués dans des conditions réalistes. Des analyses de particules et de contamination peuvent être intégrées au concept d'essai conjointement avec l'exploitant.
La conception hygiénique (Hygienic Design) comme base constructive
La conception hygiénique amixon® (Hygienic Design) favorise la nettoyabilité, la pureté du produit et des changements de charge sûrs. La chambre de mélange et l'outil de mélange sont soudés sans joint et poncés. L'outil de mélange est monté exclusivement en partie haute. Un passage d'arbre inférieur en contact avec le produit peut ainsi être supprimé.
Les grandes portes d'inspection Clever-Cut® avec joints OmgaSeal® permettent un bon accès aux surfaces en contact avec le produit. Des organes de sortie à faible espace mort et des lances de lavage intégrées en option facilitent le nettoyage à sec ou humide. Selon le produit, le marché et l'exigence, l'installation peut être conçue selon les concepts et standards d'hygiène pertinents.
amixon® associe ainsi une rotation lente, une qualité de mélange très élevée, une vidange quasi complète et une construction pouvant être dimensionnée pour la résistance à la pression ou aux chocs de pression. Le résultat est une installation de mélange qui traite les matériaux de batterie exigeants de façon ménageante, sûre et reproductible.