Quels mélangeurs conviennent aux matériaux de batterie (poudres de cathode/anode) pour préserver la structure des particules et la conductivité ?
Pour les matériaux de batterie, les mélangeurs doivent répartir de façon homogène les matériaux actifs, les additifs conducteurs et les liants, sans altérer de façon incontrôlée les particules sensibles, les revêtements ou les structures d'agglomérats. Aucun type de mélangeur unique ne convient à toutes les applications. Ce qui est déterminant, ce sont l'étape de procédé, la recette ainsi que le rapport requis entre ménagement du produit et énergie de dispersion.
Pour les poudres de cathode et d'anode coulantes, les mélangeurs coniques verticaux, les mélangeurs verticaux de précision et les mélangeurs à pales ou à socs exploités de façon ménageante conviennent particulièrement bien. Ils produisent un mouvement de produit tridimensionnel avec une sollicitation mécanique comparativement faible. Des matériaux actifs tels que le NMC, le LFP, le graphite ou les composites de silicium peuvent ainsi être homogénéisés sans provoquer d'abrasion inutile ni de fragmentation marquée.
Les mélangeurs à mouvement oscillant, conteneurs et en V sont eux aussi très ménageants. Ils conviennent avant tout aux poudres bien coulantes présentant des propriétés physiques similaires. Pour l'incorporation et la dispersion d'additifs conducteurs très fins tels que le noir de carbone, les nanotubes de carbone ou le graphène, ils ne suffisent souvent pas. Une étape de dispersion séparée, dosée de façon ciblée, peut alors être nécessaire.
Pour les procédés de dry coating et d'électrode sèche, des mélangeurs intensifs sont mis en œuvre, dans lesquels le transport du produit et la dispersion locale sont pilotables séparément. Le matériau actif est brassé avec ménagement. Des additifs conducteurs fins et des liants pulvérulents peuvent être incorporés de façon ciblée. L'énergie de cisaillement doit alors être réglée de sorte que les agglomérats d'additif conducteur soient suffisamment répartis, sans solliciter inutilement le matériau actif ou les revêtements de surface.
Pour les suspensions (slurries) d'anode et de cathode, les mélangeurs planétaires sous vide, les mélangeurs bi-planétaires ainsi que les mélangeurs intensifs discontinus à unité de dispersion réglable sont des solutions éprouvées. Ils associent le brassage lent de masses très visqueuses à une dispersion ciblée du noir conducteur, du liant et d'autres fractions fines. Le vide favorise le dégazage de la suspension et réduit les inclusions d'air. Des cuves de mélange refroidissables limitent l'apport de chaleur et améliorent la reproductibilité du procédé d'enduction.
Pour les grands procédés continus, des systèmes de dispersion et de mélange continus ou des extrudeuses bivis peuvent être pertinents. Les conditions en sont un dosage gravimétrique précis, un temps de séjour défini et une surveillance de procédé robuste. Le choix définitif doit être établi par des essais avec la recette d'origine. C'est la seule façon de démontrer que la structure des particules, la dispersion, la rhéologie, la qualité d'enduction et la performance électrique de la cellule sont compatibles entre elles.
Ainsi amixon® résout cette tâche
Voici comment amixon® mélange les matériaux de batterie : poudres de cathode et d'anode sans contamination ni ségrégation. amixon® n'est actif que partiellement dans le domaine de la fabrication de slurries et de la microdésagglomération pour les masses actives de batterie sèches. L'activité de loin la plus importante d'amixon® porte sur l'homogénéisation des matières premières. En particulier lorsque des charges allant jusqu'à 100 m³ doivent être mélangées de façon techniquement idéale. Des silos mélangeurs Gyraton® sont mis en œuvre à cet effet. Ils produisent des qualités de mélange idéales avec des entraînements de puissance minimale. Le processus d'homogénéisation s'étend sur plusieurs heures. La combinaison de deux mouvements est le secret des qualités de mélange idéales : la rotation d'un outil de mélange hélicoïdal SinConcave®/SinConvex® et la précession de l'axe de l'outil de mélange. Ce n'est que si les matières entrantes se présentent de façon homogène que la filière de procédé suivante peut être exploitée économiquement : sans fluctuation de qualité, avec la meilleure efficacité possible.
La protection contre la contamination commence par le matériau
L'abrasion métallique est, pour les matériaux de batterie, un critère éliminatoire de qualité. amixon® y répond à plusieurs niveaux : matériaux résistants à l'usure (Hardox, aciers inoxydables duplex), outils de mélange trempés ou garnis de carbure et revêtements céramiques au plasma sur les surfaces sollicitées. La conduite à faible vitesse (à partir d'environ 0,8 m/s de vitesse périphérique) réduit la formation d'abrasion à la source – l'énergie de frottement et de choc reste minimale.
Préservation de la structure et des additifs
Les formulations de cathode et d'anode contiennent des composants sensibles – noirs conducteurs, revêtements, particules sphériques. L'écoulement total SinConvex® homogénéise sans zones de cisaillement ni de choc ; la qualité de mélange correspond au mélange aléatoire techniquement idéal, même avec des différences extrêmes de densité et de granulométrie (référence en métallurgie des poudres : rapports de densité supérieurs à 1:20, particules de 2 à 70 µm). La ségrégation lors de la vidange est empêchée par les éléments ComDisc® ou par la vidange en quelques secondes du KoneSlid® KS.
Sécurité : zone 20 et inertage
La chambre de mélange est conçue pour la zone ATEX 20 ; sur demande, le travail s'effectue sous vide avec inertage du produit à mélanger – ce qui est pertinent tant pour les poussières fines inflammables que pour les matériaux actifs sensibles à l'oxydation. Des appareils étanches aux gaz (VMT, AMT jusqu'à 5 mbar abs.) maintiennent les atmosphères de solvant en toute sécurité dans le système et permettent le séchage-mélange sous vide dans le même appareil.
Des tailles jusqu'à l'échelle gigafactory
Du mélangeur de halle d'essais aux mélangeurs à deux arbres HM (grille standard jusqu'à 20 m³, tailles spéciales jusqu'à 50 m³), en passant par le Gyraton® GM, qui mélange expressément aussi les masses de batterie en charges de 10 à environ 100 m³, avec précision et ménagement. amixon® apporte au préalable en halle d'essais, avec le produit d'origine, les preuves d'abrasion, de qualité de mélange et d'inertage – documentées, y compris l'analyse des particules et de la contamination par l'exploitant.
Validation en halle d'essais amixon®
Avant l'investissement vient la preuve : en halle d'essais amixon® au siège de Paderborn, plus de 30 installations d'essai de différentes tailles sont disponibles – complétées par des centres techniques au Japon, en Inde, en Thaïlande, en Chine, en Corée du Sud et aux États-Unis. Les essais se déroulent avec le produit d'origine, avec des taux de remplissage et des tailles de charge réels, dans la plage de température et de pression prévue. Sont évalués la qualité de mélange, le ménagement du produit, l'apport d'énergie, la nettoyabilité et la reproductibilité pour l'exploitation en série ultérieure ; les résultats sont analysés et documentés en commun avec les experts amixon® – comme base de décision solide qui écarte les risques techniques et économiques avant l'achat.
La conception hygiénique comme base constructive
Toutes les propriétés citées reposent sur la conception hygiénique amixon® : la chambre de mélange et l'outil de mélange sont soudés sans joint apparent et polis, l'outil de mélange n'est monté qu'en partie haute – le passage d'arbre inférieur, critique pour la contamination, est supprimé. De grandes portes d'inspection Clever-Cut® avec joint OmgaSeal® durablement sans espace mort rendent toutes les surfaces en contact avec le produit accessibles de façon ergonomique ; des organes de vidange sans espace mort et des lances de lavage intégrées (sur demande, nettoyage humide entièrement automatique) rendent le nettoyage sec comme humide validable – conformément aux directives de l'EHEDG, aux directives d'hygiène de la FDA et aux 3-A Sanitary Standards.