Existe-t-il des mélangeurs continus combinant des débits élevés et de courts temps de séjour avec une qualité de mélange reproductible pour les matériaux de batteries ?
Oui. Les systèmes continus de mélange et de dispersion peuvent réunir, pour les matériaux de batteries, des débits élevés, des installations compactes et une qualité de produit reproductible. Leur aptitude dépend toutefois pour l'essentiel de la nature de ce qui est traité : poudres sèches, suspensions d'électrode hautement visqueuses, solutions de liant ou électrolytes.
Pour les suspensions d'électrode, on emploie fréquemment des mélangeurs intensifs continus, des extrudeuses bivis ou des systèmes rotor-stator. Les extrudeuses bivis permettent le transport, le mouillage, le malaxage et la dispersion en un procédé continu. Leurs modules de vis peuvent être adaptés à la recette concernée, à la teneur en solides et à la sollicitation de cisaillement exigée. Elles conviennent particulièrement aux suspensions hautement visqueuses et aux tâches de dispersion exigeantes, mais elles doivent être dimensionnées de sorte que les particules, les structures de noir de carbone conducteur ou les liants ne soient pas altérés par un apport d'énergie excessif. L'emploi d'extrudeuses pour le mélange continu de suspensions est de plus en plus étudié dans la fabrication de cellules de batteries ; le pilotage et l'optimisation du procédé y passent toujours pour une tâche de développement importante.
Les systèmes rotor-stator conviennent avant tout à l'incorporation rapide, au mouillage et à la dispersion de poudres dans des liquides. Le cisaillement local élevé peut ouvrir des agglomérats et raccourcir nettement le temps de dispersion. Le temps de séjour dans l'entrefer de cisaillement est certes très court, mais le temps de procédé total nécessaire est déterminé par la recette, l'introduction des solides, la tâche de dispersion et, le cas échéant, les recirculations ou l'homogénéisation en aval nécessaires. Une affirmation générale selon laquelle chaque suspension serait dispersée « en temps réel » ne serait donc pas solide.
Pour les procédés d'électrode secs ou le prémélange de composants pulvérulents, des mélangeurs continus à palettes, à socs ou rapides entrent en ligne de compte. Ils travaillent avec de petits volumes de mélange et des temps de séjour moyens de fréquemment quelques secondes à environ une minute. Dans un exemple documenté, les temps de séjour moyens se situent entre 5 et 50 secondes ; ils sont influencés par le débit, le niveau de remplissage, la vitesse de rotation et la géométrie de sortie.
La reproductibilité dépend moins du seul type de mélangeur que de l'ensemble du procédé. Les conditions en sont des flux de matières à régulation gravimétrique et stables dans le temps, un fonctionnement stationnaire défini, une distribution des temps de séjour maîtrisée ainsi que des grandeurs de mesure et de régulation appropriées. Sont typiquement surveillés le débit, la vitesse de rotation, le couple, la température et – selon le produit – la densité, la viscosité, la conductivité ou des signaux spectroscopiques. La distribution des temps de séjour devrait être déterminée par des essais de traçage, car elle influence la rapidité avec laquelle un procédé atteint un état stable après un démarrage ou un changement de recette.
Les mélangeurs statiques peuvent être judicieux avec des liquides de viscosité faible à moyenne, comme étage d'homogénéisation en aval. Ils exigent toutefois un dosage uniforme et ne peuvent pas compenser des erreurs de dosage ou un prémélange insuffisant. Pour des suspensions d'électrode hautement visqueuses et riches en solides, ils ne sont le plus souvent pas une alternative complète aux systèmes de dispersion dynamiques.
Par rapport à de grandes installations discontinues, les systèmes continus peuvent réduire le besoin de place et la quantité de matière dans le procédé. Des chemins de produit fermés facilitent en outre la manipulation de poudres poussiéreuses ou de suspensions contenant des solvants. L'avantage concret doit toutefois être démontré pour chaque chimie : les systèmes NMC, LFP, graphite et silicium se distinguent nettement quant à la teneur en solides, à la tendance à l'agglomération, à la sensibilité au cisaillement et à la rhéologie cible.
L'AMK : débit et temps de séjour réglables séparément
Le mélangeur continu AMK d'amixon® permet un débit élevé avec un temps de séjour court et une homogénéité constamment élevée. Le débit et le temps de séjour sont réglables indépendamment l'un de l'autre. La gamme AMK s'étend de l'AMK 50, avec un débit d'environ 1 à 3 m³/h, jusqu'à l'AMK 3000, avec quelque 45 à 135 m³/h. Le temps de séjour est indépendant de la fréquence de rotation des outils de mélange ; l'intensité de mélange et le débit se règlent séparément. Pour des tâches de mélange simples, le temps de séjour peut être maintenu court ; pour des recettes complexes comportant de nombreux solides et liquides, il est allongé de façon ciblée. L'outil de mélange SinConcave®/SinConvex® engendre le même remaniement forcé tridimensionnel que dans les mélangeurs discontinus d'amixon®. La qualité de mélange est reproductible et correspond à un mélange aléatoire techniquement idéal, avec une distribution des temps de séjour définie et large.
L'AMK : régler l'intensité de mélange et le temps de séjour indépendamment
Le mélangeur continu AMK d'amixon® est conçu pour des procédés continus dans lesquels des débits élevés, un temps de séjour moyen défini et une homogénéité reproductible doivent se rejoindre. Son avantage particulier réside dans le fait que l'intensité de mélange et le temps de séjour peuvent être réglés séparément : la vitesse de rotation de l'outil de mélange détermine avant tout l'intensité du mouvement du produit, tandis que le niveau de remplissage, la régulation de la décharge et le débit influencent le temps de séjour moyen.
L'AMK peut ainsi être dimensionné aussi bien pour des tâches de mélange courtes que pour des recettes complexes comportant plusieurs solides et liquides. La série AMK s'étend – selon la taille et le procédé – de petits débits d'environ 1 m³/h jusqu'à environ 135 m³/h. Pour des tâches de mélange exigeantes, des temps de séjour moyens allant jusqu'à plusieurs minutes peuvent être prévus.
Sans les pertes de démarrage habituelles
Une particularité de l'AMK est son démarrage de production régulé. Au début, la décharge reste fermée. Les doseurs gravimétriques démarrent simultanément avec un débit massique réduit et ajustent leurs rapports de dosage les uns aux autres. Dès que le mélangeur est rempli à environ la moitié, l'outil de mélange commence à travailler ; à environ 80 % du taux de remplissage de travail, la décharge s'ouvre progressivement. Le taux de remplissage est ensuite maintenu constant et le débit porté à la valeur prévue.
Le produit peut ainsi être déchargé dans la qualité de mélange visée dès le début de la production. Les quantités de démarrage hors spécification, qui apparaissent sinon fréquemment dans les procédés de mélange continus, peuvent être évitées ou nettement réduites. Lors d'une fin de production contrôlée également, le mélangeur peut être vidé en continu.
Un temps de séjour long comme tampon de mélange
L'AMK utilise un niveau de produit défini comme chambre de mélange active. Un temps de séjour moyen suffisamment dimensionné soutient l'homogénéisation de recettes complexes et peut amortir dans le temps des variations de dosage brèves et inévitables. Cela est particulièrement avantageux avec de nombreux composants, avec des microajouts ou lors de l'incorporation de petites quantités de liquide.
La distribution réelle des temps de séjour dépend toutefois toujours du produit et du procédé. Elle devrait être étudiée avec le produit d'origine pour les applications exigeantes, par exemple par des essais de traçage. Ce qui est déterminant, ce n'est pas un temps de séjour long à lui seul, mais le rapport ajusté entre la constance du dosage, le taux de remplissage, le débit, l'intensité de mélange et le comportement à la décharge.
Ménageant pour le produit ou intensif
L'outil de mélange SinConcave®/SinConvex® engendre un mouvement de produit tridimensionnel et favorise un brassage uniforme ainsi qu'une très bonne vidange résiduelle. L'intensité de mélange peut être adaptée, de l'homogénéisation particulièrement ménageante à la désagglomération ciblée. Les outils de mélange SinConcave® atteignent, dans les applications appropriées, des taux de vidange résiduelle allant jusqu'à 99,997 %.
L'AMK peut traiter des produits secs, humides et en suspension. Les liquides peuvent être introduits de façon contrôlée dans la chambre de mélange ; l'intérêt d'une thermorégulation, d'un séchage ou d'une réaction supplémentaires dépend de l'exécution d'appareil convenue concrètement et de la tâche de procédé. La chambre de mélange peut être réalisée pour la zone 20.
Mise à l'épreuve avec le produit d'origine
amixon® éprouve le procédé de mélange continu en halle d'essais avec le produit d'origine. Sont étudiés en particulier l'homogénéité, le comportement au dosage et à la décharge, le temps de séjour nécessaire, le ménagement du produit, l'incorporation de liquide et la nettoyabilité. Il est ainsi possible de démontrer avant l'investissement si l'AMK atteint de façon reproductible la qualité de mélange souhaitée sur la plage de débit prévue.