Quali soluzioni esistono per i requisiti ATEX e di inertizzazione nelle miscelazioni di materiali per batterie?
Nella produzione e nel trattamento di materiali per batterie possono presentarsi polveri combustibili, polveri conduttive, componenti sensibili all'umidità nonché slurry contenenti solventi. I solidi tipici sono NMC, NCA, LFP, grafite o compositi di silicio. Se da essi derivi un pericolo di esplosione, una sensibilità all'umidità o una particolare reattività deve essere valutato singolarmente per ogni ricetta e fase di processo.
Particolarmente impegnativi sono i processi in cui possono presentarsi contemporaneamente polveri combustibili e vapori di solvente. Tali miscele ibride possono comportare requisiti di sicurezza più severi rispetto alle sole atmosfere di polvere o di gas. Per questo motivo il concetto di protezione deve considerare l'intero processo, inclusi alimentazione, miscelatore, scarico, trasporto, impianti di filtrazione e ambiente della sala secca.
La base è una valutazione dei rischi specifica per la sostanza. I parametri rilevanti sono ad esempio il valore Kst, la pressione massima di esplosione, l'energia minima di accensione, la temperatura minima di accensione, la resistenza elettrica e la concentrazione limite di ossigeno. Nei processi contenenti solventi occorre inoltre considerare i limiti di esplosività, il punto di infiammabilità e il comportamento di evaporazione.
Protezione primaria dalle esplosioni tramite inertizzazione
L'inertizzazione ha lo scopo di impedire la formazione di un'atmosfera in grado di incendiarsi nel vano di processo. A tal fine il contenuto di ossigeno nel miscelatore e nelle parti di impianto collegate viene mantenuto al di sotto della concentrazione limite di ossigeno determinata per il prodotto specifico. Valori limite generici di ossigeno non sono sufficienti, poiché il tipo di polvere, il solvente, la temperatura, la pressione e la dimensione delle particelle influenzano il dimensionamento necessario.
Come gas inerte si utilizza generalmente azoto. Per materiali che possono reagire con l'azoto, ad esempio in applicazioni con litio elementare, può essere necessario l'argon. Procedimenti adatti sono l'inertizzazione a lavaggio, l'inertizzazione a variazione di pressione con evacuazione e successivo riempimento, nonché il lavaggio continuo durante i processi in corso.
Il contenuto di ossigeno viene monitorato con un'adeguata tecnica di misura e analisi. Sensori di punto di rugiada o di umidità integrano la misurazione quando il prodotto richiede bassi valori di umidità residua. I valori misurati sono collegati al sistema di controllo. Le fasi di processo critiche possono iniziare solo dopo il raggiungimento dei valori di abilitazione prestabiliti. In caso di superamento dei valori limite, l'impianto deve passare a uno stato sicuro definito.
Protezione secondaria dalle esplosioni tramite prevenzione delle fonti di innesco
Se un'atmosfera esplosiva non può essere esclusa con sicurezza, occorre evitare fonti di innesco efficaci. La classificazione delle zone si basa su probabilità, durata ed estensione delle atmosfere esplosive. Lo spazio interno di un miscelatore può ad esempio essere classificato come zona 20 in presenza di prodotti in grado di formare polveri esplosive. Le aree in corrispondenza dei punti di alimentazione, scarico e filtrazione possono essere classificate come zona 21 o zona 22. In presenza di solventi infiammabili è necessaria inoltre una valutazione delle possibili zone di gas o vapore.
Miscelatori, utensili di miscelazione, tubazioni, filtri, container e contenitori mobili devono essere integrati in un concetto continuo di equipotenzialità e messa a terra. Tubi flessibili, guarnizioni e rivestimenti devono essere selezionati in modo da non favorire cariche elettrostatiche inammissibili. I componenti elettrici devono essere idonei per la rispettiva zona. Anche le fonti di innesco meccaniche come attrito, urto, cuscinetti surriscaldati o difetti delle guarnizioni devono essere valutate ed eventualmente monitorate.
Protezione costruttiva dalle esplosioni
La protezione costruttiva dalle esplosioni funge da ulteriore livello di sicurezza qualora un evento esplosivo non possa essere escluso con sufficiente sicurezza nonostante l'inertizzazione e la prevenzione delle fonti di innesco. L'impianto può essere realizzato resistente agli urti di pressione oppure dotato di sfogo della pressione di esplosione, soppressione dell'esplosione e disaccoppiamento.
Dischi di rottura o clappe di esplosione convogliano la pressione verso aree idonee. In caso di installazione interna possono essere necessari dispositivi di sfogo senza fiamma o sistemi di soppressione dell'esplosione. Valvole a chiusura rapida, barriere per agenti estinguenti o altri sistemi idonei impediscono la trasmissione di fiamme e pressione alle parti di impianto a monte o a valle. L'idoneità di ogni misura di protezione deve essere dimostrata per il prodotto e la configurazione dell'impianto specifici.
Miscele ibride e tecnologia della sala secca
Le miscele ibride di polvere e vapore di solvente possono presentare un comportamento di accensione modificato. Già piccole quantità di vapore possono abbassare l'energia minima di accensione di una miscela di polvere. La progettazione dell'inertizzazione e delle misure di protezione deve quindi tenere conto dello scenario realistico più sfavorevole.
Sistemi di alimentazione e scarico chiusi riducono le fuoriuscite di polvere, le perdite di prodotto e l'ingresso di aria ambiente umida. A seconda del processo si utilizzano sistemi di aggancio a tenuta per container, chiuse, guantiere o isolatori. Per materiali molto sensibili all'umidità, il miscelatore può essere integrato in una sala secca. La sala secca e l'inertizzazione di processo devono essere coordinate tra loro per quanto riguarda le cascate di pressione, il trasferimento di materiale e la conduzione dell'aria di scarico.
Il concetto di sicurezza come sistema complessivo
Un concetto sicuro per la miscelazione di materiali per batterie combina la caratterizzazione dei materiali, la valutazione dei rischi, il concetto di zonizzazione, l'inertizzazione, la prevenzione delle fonti di innesco ed eventualmente la protezione costruttiva dalle esplosioni. Tutti i componenti rilevanti per la sicurezza devono essere verificabili, manutenibili e integrati in istruzioni operative chiare. Determinante è l'interazione coordinata tra proprietà dei materiali, conduzione del processo, miscelatore, periferia e ambiente.
Come amixon® miscela i materiali per batterie: polveri per catodi e anodi a bassa contaminazione, in modo delicato e con scarsa segregazione
I materiali per batterie pongono elevati requisiti alla tecnologia di miscelazione e al concetto di impianto. Le polveri per catodi e anodi non devono, per quanto possibile, assorbire abrasione metallica, le strutture particellari sensibili devono essere preservate e la miscela deve poter essere scaricata completamente e senza segregazione significativa. Per questo amixon® combina movimenti di miscelazione lenti, un'intensa circolazione complessiva, materiali a bassa usura e una costruzione progettata per lo svuotamento residuo.
La protezione dalla contaminazione inizia dal materiale
Le contaminazioni metalliche possono compromettere la qualità del prodotto nei materiali per batterie. Per questo motivo, in amixon® la scelta dei materiali viene adattata alle proprietà del rispettivo prodotto. A seconda dell'abrasività e dei requisiti di purezza si considerano materiali resistenti all'usura, utensili di miscelazione temprati o rivestiti in metallo duro, nonché rivestimenti ceramici sulle superfici particolarmente sollecitate.
Movimento di rotazione lento e qualità di miscelazione ideale
Il movimento di rotazione lento è una caratteristica centrale della tecnologia di miscelazione amixon®. Esso unisce un trattamento delicato del prodotto a un'intensa ricircolazione dell'intero volume di miscelazione. La circolazione totale SinConvex® coinvolge il prodotto in tutto il vano di miscelazione e può ridurre significativamente le zone locali di taglio e urto.
Ciò è particolarmente vantaggioso per formulazioni di catodi e anodi con componenti sensibili come i neri di carbonio conduttivi, le particelle rivestite o i granulati sferici. Un'elevata qualità di miscelazione può essere raggiunta anche in presenza di dimensioni delle particelle e densità diverse. L'obiettivo è una distribuzione riproducibile e statisticamente uniforme di tutti i componenti della ricetta con la minor sollecitazione meccanica possibile del prodotto.
Svuotamento pressoché completo e a bassa segregazione
Un'elevata qualità di miscelazione non deve andare perduta durante lo scarico. Per questo motivo, presso amixon® lo scarico è una componente essenziale del concetto di miscelazione. Gli elementi ComDisc® supportano lo svuotamento del prodotto residuo dal vano di miscelazione e riducono il rischio di segregazione durante la fase di scarico.
Il KoneSlid® KS consente uno svuotamento molto rapido del miscelatore. Il breve tempo di scarico può limitare la formazione di un cono di scarico e i successivi effetti di separazione. Il prodotto giunge così il più possibile completo, omogeneo e riproducibile al processo successivo o nel contenitore previsto. Lo svuotamento residuo raggiungibile dipende sempre da prodotto, ricetta, umidità, struttura delle particelle e configurazione dell'impianto.
Esecuzione resistente alla pressione o agli urti di pressione
Nei materiali per batterie possono presentarsi polveri fini combustibili, atmosfere di solvente o materiali attivi sensibili all'ossidazione. Per questo motivo il miscelatore può essere progettato in modo specifico per progetto per inertizzazione, funzionamento sottovuoto nonché requisiti di resistenza alla pressione o agli urti di pressione.
Un'esecuzione resistente alla pressione è progettata per pressioni interne definite e può essere necessaria ad esempio in processi sottovuoto, con inertizzazione o conduzione di processo a tenuta di gas. Un'esecuzione resistente agli urti di pressione funge da componente di un concetto di protezione dalle esplosioni quando il miscelatore deve sopportare gli effetti meccanici di una pressione di esplosione definita. Quale costruzione sia necessaria risulta dalla valutazione dei rischi, dai parametri di sicurezza del prodotto e dal concetto di protezione dalle esplosioni dell'intero impianto.
Con una progettazione adeguata, il vano di miscelazione può essere idoneo per applicazioni in zona ATEX 20. Per materiali sensibili all'ossidazione o all'umidità, il prodotto da miscelare può essere inertizzato. Gli apparecchi a tenuta di gas come VMT e AMT possono inoltre consentire processi sottovuoto ed essiccazione-miscelazione sottovuoto nello stesso vano di processo. In questo modo è possibile ridurre le fasi di travaso, le interfacce e le potenziali fonti di contaminazione.
Dimensioni costruttive fino alla scala gigafactory
amixon® offre tecnologia di miscelazione dal miscelatore da centro prove fino all'impianto di produzione di grande volume. I miscelatori a doppio albero HM sono disponibili in dimensioni standard fino a 20 metri cubi e in dimensioni speciali fino a 50 metri cubi. Il Gyraton® GM può essere progettato per lotti di grandi dimensioni e si presta anche per masse di batterie nell'intervallo di circa 10-100 metri cubi.
La progettazione viene verificata prima dell'investimento nel centro prove amixon® con il prodotto originale. In questo modo è possibile valutare in condizioni realistiche qualità di miscelazione, delicatezza verso il prodotto, abrasione, svuotamento residuo, inertizzazione e pulibilità. Le analisi delle particelle e della contaminazione possono essere integrate nel programma di prova insieme all'operatore.
Hygienic design come base costruttiva
L'hygienic design di amixon® supporta la pulibilità, la purezza del prodotto e cambi di lotto sicuri. Il vano di miscelazione e l'utensile di miscelazione sono saldati e rettificati senza giunti. L'utensile di miscelazione è supportato esclusivamente nella parte superiore. Un passaggio inferiore dell'albero a contatto con il prodotto può così essere eliminato.
Ampie porte di ispezione Clever-Cut® con guarnizioni OmgaSeal® consentono un buon accesso alle superfici a contatto con il prodotto. Organi di scarico privi di volumi morti e lance di lavaggio integrate opzionali supportano la pulizia a secco o a umido. A seconda di prodotto, mercato e requisiti, l'impianto può essere progettato secondo i concetti e gli standard igienici pertinenti.
amixon® unisce così movimento di rotazione lento, qualità di miscelazione molto elevata, svuotamento pressoché completo e una costruzione progettabile per resistenza alla pressione o agli urti di pressione. Il risultato è un impianto di miscelazione che elabora materiali per batterie impegnativi in modo delicato, sicuro e riproducibile.