Dans quelle mesure est-il possible, en pratique, d'éviter l'abrasion métallique indésirable dans le produit lors du mélange de masses actives de batterie (masses de cathode) ?
En pratique, l'abrasion métallique lors du mélange de masses actives de batteries peut être nettement réduite, mais pas totalement exclue par une seule mesure. Réaliste est un concept de pureté global qui minimise l'apport dès la source, sépare les particules critiques le plus tôt possible et surveille le procédé de façon analytique. Des valeurs limites ppb forfaitaires pour toutes les masses de cathode ne sont toutefois pas fiables, car les teneurs résiduelles admissibles, les éléments critiques, les tailles de particules et les méthodes de mesure dépendent de la chimie de la cellule, de la spécification du fabricant de cellules, de l'étape de procédé et de l'accord de qualité respectif. Pour les matériaux actifs de cathode, les impuretés métalliques particulièrement pertinentes que sont le chrome, le fer, le cuivre, le zinc et le plomb sont fréquemment fixées, dans les normes de qualité et applications analytiques pertinentes, avec des valeurs cibles inférieures à 1 mg/kg, soit inférieures à 1 ppm.
Les particules métalliques étrangères sont critiques pour les cellules lithium-ion, car elles peuvent provoquer des défauts locaux, une autodécharge accrue, des réactions secondaires indésirables et, dans le pire des cas, des courts-circuits internes. Sont particulièrement problématiques les particules métalliques individuelles grandes ou à arêtes vives, car elles peuvent endommager les séparateurs ou augmenter les densités de courant locales. L'évaluation technique ne doit donc pas se limiter à la teneur métallique chimique globale en ppm. Elle doit en outre tenir compte du nombre, de la taille, de la forme, de la propriété magnétique et de la répartition spatiale des particules métalliques. Une source spécialisée industrielle classe déjà comme critiques les particules métalliques au-delà de 5 µm ; d'autres chaînes de procédé fixent des limites de taille et d'acceptation différentes, spécifiques au produit.
Les causes de la contamination métallique se situent tout au long de la chaîne de procédé. Elles peuvent provenir des matières premières, résulter de l'usure des composants de broyage, de classification, de mélange et de transport, ou être introduites par l'environnement, les activités de maintenance et les interventions humaines. Précisément lors du mélange et du broyage, les contacts directs du produit avec des outils métalliques, des parois de cuve ou des composants d'étanchéité et de transport s'usant peuvent générer des particules métalliques. Un travail de synthèse récent cite expressément l'usure des composants métalliques dans les procédés de mélange et de broyage comme source d'apport et recommande notamment des revêtements de protection des installations de mélange et de broyage, des séparateurs magnétiques ou des tamis, ainsi que des procédures de propreté opérationnelles strictes.
La première mesure, et la plus efficace, est donc la conception à abrasion minimisée de tous les composants en contact avec le produit. Les contacts métal sur métal directs dans la zone de produit devraient être évités. Les outils de mélange, la paroi de la cuve, les organes d'évacuation, les coudes de transport, les vannes, les zones de joint et les points de transfert doivent être conçus de manière à ce qu'aucun frottement, choc ou impact répété de particules dures sur des arêtes critiques ne se produise. Selon le système de matériaux, des céramiques techniques, des revêtements appropriés ou des polymères hautes performances peuvent être judicieux sur certaines surfaces de contact sélectionnées. Le choix concret des matériaux doit toutefois être vérifié au regard de la compatibilité chimique, de l'abrasivité de la masse active, des propriétés électrostatiques, de la nettoyabilité, de la sollicitation thermique et d'une émission de particules possible du matériau de revêtement respectif. Un matériau non métallique ne convient pas automatiquement s'il conduit lui-même à de l'abrasion, à un détachement ou à une contamination organique indésirable.
Un deuxième levier important est la conduite du procédé. Des vitesses d'outil et de transport basses, mais suffisamment efficaces, réduisent l'énergie de choc et donc l'usure érosive. Les déviations abruptes, les coudes serrés, les hauteurs de chute incontrôlées, les zones mortes et les recirculations répétées devraient être évitées. Pour le transport pneumatique, non seulement la vitesse de l'air est pertinente, mais aussi la charge en solides, le tracé des conduites, le rayon des coudes, la dureté des particules, le niveau de pression et le fonctionnement en démarrage-arrêt. Lors du mélange, la vitesse de rotation doit être choisie de manière à atteindre l'homogénéité requise avec la sollicitation mécanique la plus faible possible. Un mélange inutilement long ou trop intensif peut augmenter l'abrasion sans améliorer davantage la qualité du produit.
La séparation magnétique est un niveau de protection supplémentaire judicieux, mais ne remplace pas une conception à faible abrasion. Elle peut capter des particules étrangères magnétisables comme le fer ou certaines proportions d'acier ferritique, mais n'agit pas de façon fiable contre les métaux non magnétiques comme l'aluminium, le cuivre ou le zinc. C'est pourquoi plusieurs mesures sont combinées dans les chaînes de procédé exigeantes : des séparateurs magnétiques à des points de transfert appropriés, des étapes de tamisage ou de filtration pour les particules grossières, une libération contrôlée des matières premières, une séparation avant les étapes de procédé critiques et une conception appropriée du transport de matière. Les particules non magnétiques doivent être maîtrisées en priorité par l'évitement de l'apport, une filtration ou un tamisage appropriés et une surveillance analytique. Selon la littérature spécialisée, les particules étrangères non magnétiques peuvent notamment être introduites pendant le mélange, le transport et le stockage dans les suspensions, et sont plus difficiles à éliminer.
Un concept efficace nécessite en outre une stratégie systématique de maintenance et de propreté. Les pièces critiques du point de vue de l'usure devraient être surveillées via les heures de service, les couples, les vibrations, les pressions différentielles, l'analyse du produit et les contrôles visuels. Non seulement le mélangeur, mais aussi le chargement, le dosage, le tamisage, les conduites de transport, les filtres, les vannes, les outils de maintenance et l'air ambiant font partie de la considération de contamination. Le remplacement préventif des composants usés est nettement plus efficace qu'un nettoyage ultérieur de matière déjà contaminée. Comme des particules métalliques peuvent également pénétrer dans le système via des interventions ouvertes, la maintenance ou l'environnement de production, des transferts fermés, des zones de nettoyage définies, une gestion des outils, des vêtements de protection appropriés et des voies de matière contrôlées constituent des éléments importants du concept.
La vérification devrait combiner plusieurs niveaux d'analyse. L'ICP-OES et l'ICP-MS saisissent les teneurs élémentaires globales et peuvent quantifier les métaux dans la plage des ppm jusqu'à l'état de traces ; l'ICP-MS offre des limites de détection particulièrement basses. Pour l'analyse des éléments critiques dans les matériaux de cathode, les deux procédés sont utilisés, les normes prévoyant fréquemment l'ICP-OES et indiquant, pour les contaminants pertinents tels que Cr, Fe, Cu, Zn et Pb, des valeurs limites inférieures à 1 mg/kg. En complément, des tests de séparation magnétique, des analyses microscopiques de particules et le MEB/EDX sont judicieux afin d'identifier les particules individuelles quant à leur taille, morphologie et composition chimique. Précisément pour l'évaluation d'une abrasion liée au procédé, cette analyse de particules est indispensable, car une faible valeur métallique globale peut masquer des particules grossières individuelles critiques pour la sécurité.
Une stratégie pratique fiable commence par une analyse de risque de contamination. Dans un premier temps, les éléments et tailles de particules critiques sont déduits de la spécification du fabricant de cellules. Ensuite, toutes les sources d'apport potentielles sont cartographiées le long de la chaîne de procédé et évaluées quant à leur probabilité, la quantité apportée et la détectabilité. Sur cette base suivent le choix des matériaux et de la construction, la définition des fenêtres de procédé admissibles, le positionnement des aimants et des tamis ainsi qu'un plan de contrôle avec analyse des matières premières, des produits intermédiaires et des produits finis. Il faut ensuite démontrer, avec un matériau actif représentatif, que l'installation respecte les valeurs limites convenues même après une durée d'exploitation définie, après nettoyage et après maintenance.
Minimiser l'abrasion et la contamination métallique
Lors du mélange de masses actives de batteries abrasives, en particulier de matériaux actifs de cathode, l'abrasion métallique peut être fortement réduite grâce à une combinaison coordonnée de faible vitesse relative, de cinématique de mélange appropriée, de matériaux optimisés contre l'usure et d'une construction à faible contamination. Une promesse ppm ou ppb valable de façon universelle ne serait toutefois pas sérieuse. La teneur métallique réellement atteignable dépend de la dureté du produit, de la répartition granulométrique, de la forme des particules, de l'humidité, de la durée de mélange, du taux de remplissage, de la géométrie des outils, de la vitesse périphérique, de l'appariement des matériaux et de l'analytique choisie. Pour les matériaux de cathode, ce ne sont pas seulement la quantité totale, mais surtout la taille, la forme, le nombre et la composition élémentaire des particules étrangères individuelles qui sont déterminants. Les particules métalliques peuvent être critiques pour la sécurité, car elles peuvent favoriser des défauts locaux, des courts-circuits internes et, dans le cas extrême, un emballement thermique.
amixon® réduit d'abord l'apparition possible d'abrasion via la cinématique de mélange. Les outils de mélange fonctionnent à des vitesses périphériques comparativement basses à partir d'environ 0,8 m/s et peuvent, selon la tâche et l'exécution de l'appareil, être exploités jusqu'à environ 3,5 m/s. La recirculation totale SinConvex® génère une recirculation de produit continue et tridimensionnelle. Le mélange est remanié de façon contrôlée, au lieu d'être mû par des mouvements de projection à haute énergie, des zones d'impact prononcées ou des forces de cisaillement inutilement élevées. Cela permet de réduire la vitesse relative et la pression de contact sur les surfaces critiques de contact avec le produit. Pour les particules abrasives et dures en particulier, ceci est important, car l'usure augmente typiquement avec une vitesse relative croissante, un impact répété de particules et des pressions de contact locales élevées.
Le choix des matériaux est adapté à l'abrasivité, à la résistance chimique et à l'objectif de contamination du produit respectif. Pour les poudres abrasives telles que les poudres céramiques, les poudres métalliques, les matériaux de batteries ou les mélanges minéraux, des matériaux résistants à l'usure et des systèmes de protection de surface peuvent être utilisés. En font partie par exemple l'acier résistant à l'usure Hardox®, des outils de mélange trempés, des exécutions en carbure de tungstène, des aciers inoxydables duplex ainsi que des revêtements céramiques par plasma sur les surfaces particulièrement sollicitées. Le bon choix doit toujours être effectué de façon spécifique au projet : un matériau à haute résistance à l'abrasion ne convient pas automatiquement à une chaîne de procédé pour batteries s'il peut lui-même libérer des éléments critiques, n'est pas chimiquement résistant ou si son revêtement est endommagé dans les conditions de procédé réelles.
La prévention constructive de l'apport de particules étrangères complète la protection contre l'usure. Des chambres de mélange soudées sans joint apparent et polies, sans assemblages vissés dans la zone de produit, réduisent les interstices possibles, les éléments de liaison libres et les zones de résidus. Des outils de mélange montés uniquement en partie haute évitent un passage d'arbre inférieur dans l'espace de produit ; les points de palier en contact avec le produit dans le fond de la cuve sont ainsi évités. Les joints à garniture mécanique sur des rotors optionnels peuvent être exécutés de manière à ce que l'usure des joints et des paliers reste séparée de la zone de produit. Les systèmes fermés et étanches à la poussière avec joints OmgaSeal® limitent en outre l'apport de poussière et de particules étrangères depuis l'environnement de production.
La pureté atteignable doit être mesurée dans la pratique. amixon® peut à cet effet réaliser des essais avec le produit d'origine au centre technique et relier l'évaluation à l'analytique prescrite par l'exploitant. Pour la détermination des traces métalliques élémentaires, l'ICP-OES ou l'ICP-MS entrent par exemple en considération. L'ICP-MS permet des limites de détection particulièrement basses et est utilisée pour l'analyse des contaminations métalliques dans les matériaux de batteries lithium-ion. En complément, des examens MEB/EDX, des tests de séparation magnétique ou des analyses de particules par imagerie peuvent être nécessaires, car la teneur métallique chimique globale seule ne saisit pas de façon fiable des particules grossières critiques individuelles.
Sur la base de tels essais, l'appariement des matériaux, l'outil de mélange, la vitesse de rotation, le temps de mélange, le taux de remplissage et, le cas échéant, l'exécution du chargement, de l'évacuation et du transport sont conçus pour la valeur de pureté convenue. Ce n'est pas seulement le mélangeur qui est alors considéré. L'alimentation en matières premières, les conteneurs, les organes de dosage, les tamis, les séparateurs magnétiques, les conduites de transport, les filtres, les points de transfert et les procédures de maintenance peuvent également apporter des particules métalliques. Un concept fiable pour les matériaux de batteries associe donc une conception de mélange à abrasion minimisée à un concept global de protection contre la contamination, comprenant les matières premières, la périphérie de l'installation, la séparation, la maintenance préventive et les procédés de nettoyage. L'abrasion issue de la technique de transformation et les apports via les composants de machine comptent, de façon démontrée, parmi les sources de contamination pertinentes dans la production de batteries.
amixon® couvre, avec différentes formes d'appareils, un large spectre de charges. Les mélangeurs verticaux et coniques tels que VM, HM et AM ainsi que les réacteurs mélangeurs-sécheurs tels que VMT et AMT peuvent être réalisés dans des tailles spécifiques au projet allant jusqu'à environ 50 000 litres. Le Gyraton® GM est prévu pour de grandes charges dans une plage d'environ 10 à 100 m³. Pour les charges plus petites, l'EM d'environ 5 à 200 litres et le mélangeur conteneur COM d'environ 100 à 4 000 litres sont disponibles. Selon le produit et la forme de construction, des taux de remplissage d'environ 10 à 100 pour cent du volume utile peuvent être possibles. La plage réellement utilisable et la qualité de mélange atteignable doivent toutefois être confirmées par essai pour le produit abrasif concret.
Centre technique et validation
Au centre technique amixon® du siège principal à Paderborn, plus de 30 installations d'essai de différentes tailles sont disponibles. Des essais complémentaires peuvent être réalisés dans des centres techniques au Japon, en Inde, en Thaïlande, en Chine, en Corée du Sud et aux États-Unis. Les contrôles sont réalisés avec le produit d'origine, des taux de remplissage et tailles de charge réalistes, ainsi que dans les conditions de température et de pression prévues. Sont alors évalués la qualité de mélange, le ménagement du produit, l'apport d'énergie, la nettoyabilité, la reproductibilité et – particulièrement pertinents pour les matériaux actifs de batteries – l'abrasion et la contamination métallique. Les résultats sont documentés avec des experts amixon® et servent de base technique et économique à la conception de l'installation avant l'investissement.