Per i materiali per batterie non esiste un sistema di miscelazione universalmente migliore. La tecnologia idonea dipende in modo determinante dal fatto che si lavorino polveri di elettrodo secche, premiscele o miscele secche, oppure slurry di elettrodo già contenenti solvente ovvero acqua. Per gli additivi conduttivi finissimi e coesivi come il nerofumo conduttivo e i CNT, una disagglomerazione mirata è di norma il passaggio critico. Per l'omogeneizzazione finale di materiale attivo, additivo conduttivo e legante, invece, un ordine di aggiunta definito, un apporto energetico controllato, una conduzione di processo chiusa e la protezione dalla contaminazione metallica sono spesso più importanti della massima intensità di miscelazione.

Polveri di elettrodo secche

Per le miscele secche di catodo e anodo si possono impiegare miscelatori intensivi a funzionamento orizzontale, miscelatori a vomere con utensili di sminuzzamento attivabili, nonché miscelatori verticali o conici con rimescolamento convettivo controllato. È decisivo che l'intero volume della charge raggiunga ripetutamente la zona di miscelazione attiva e che gli agglomerati degli additivi conduttivi fini possano essere disgregati in modo mirato.

I miscelatori intensivi con principio ad alto taglio o a letto fluido sono particolarmente adatti quando gli agglomerati di nerofumo conduttivo devono essere dispersi in modo affidabile. Generano un'elevata sollecitazione locale e possono distribuire il carbon black sulla superficie del materiale attivo. Uno studio industriale sulla produzione di slurry di catodo descrive, ad esempio, una breve fase di miscelazione a secco a numero di giri moderato per omogeneizzare materiale attivo e legante e disgregare gli agglomerati grossolani di nerofumo conduttivo. L'intensità di taglio necessaria deve tuttavia essere rigorosamente limitata, affinché morfologia delle particelle, struttura cristallina e superficie desiderata del materiale attivo non vengano alterate in modo svantaggioso.

I miscelatori a vomere con utensili di sminuzzamento o chopper sono un'opzione robusta per le charge più grandi. I vomeri generano un forte rimescolamento convettivo, mentre i chopper vengono attivati solo quando gli agglomerati devono essere sciolti in modo mirato. Questa separazione tra miscelazione di base e disagglomerazione localizzata nel tempo è vantaggiosa, perché l'intera charge non viene sottoposta in modo permanente a un'elevata sollecitazione meccanica. Per i materiali catodici abrasivi, l'impianto deve essere realizzato a bassa usura e compatibile con la contaminazione, poiché l'abrasione dell'utensile o della parete può generare particelle metalliche estranee critiche.

I miscelatori conici e verticali con utensili a nastro elicoidale o a elica sono adatti per miscele secche delicate, premiscele e l'omogeneizzazione di materiali attivi sensibili. Offrono un movimento tridimensionale convettivo del prodotto con una sollecitazione meccanica relativamente contenuta. Per nanoparticelle fortemente coesive, CNT o agglomerati solidi di nerofumo conduttivo, tuttavia, da soli non sempre sono sufficienti. In tali casi è necessaria una dispersione intensiva a monte, uno stadio di miscelazione intensiva localizzato o un pretrattamento coordinato degli additivi fini.

I miscelatori continui a due alberi o a doppia vite possono essere utili con portate elevate, quando dosaggio, azione di miscelazione e tempo di permanenza sono controllati con precisione. Offrono una conduzione di processo chiusa e riducono lo stoccaggio intermedio del materiale già miscelato. L'omogeneità effettiva dipende tuttavia fortemente dalla precisione di dosaggio gravimetrico, dalla distribuzione del tempo di permanenza, dal dimensionamento degli elementi di miscelazione e dalla stabilità dell'alimentazione delle materie prime. Un estrusore a doppia vite è particolarmente rilevante quando la miscela viene ulteriormente compoundata o trasformata in uno stato plastico o pastoso; per la pura miscelazione a secco delicata non è automaticamente la scelta migliore.

Slurry e pasta

Per gli slurry di catodo e anodo sono particolarmente diffusi i miscelatori planetari, i doppi miscelatori planetari, i dissolutori planetari e i miscelatori centrifughi planetari. Combinano un rimescolamento macroscopico con un'elevata azione di taglio locale e spesso possono funzionare sotto vuoto. Il vuoto riduce l'aria inglobata e favorisce un coating a basso contenuto di bolle. I miscelatori planetari sono considerati una soluzione consolidata per gli slurry per batterie, perché possono disgregare gli agglomerati di nerofumo conduttivo e lavorare il materiale attivo anche in una fase di impasto intensiva.

L'ordine di miscelazione ha una forte influenza sulla microstruttura e sulla prestazione dell'elettrodo. Per gli slurry catodici NMC, un'aggiunta graduale delle polveri a una soluzione legante, con una conseguente minore sollecitazione di taglio nelle fasi iniziali del processo, ha portato in uno studio a proprietà meccaniche ed elettrochimiche migliori rispetto a un processo in cui tutte le polveri venivano dapprima miscelate e il solvente aggiunto solo successivamente. In altre ricerche è stato dimostrato che l'ordine di carbon black, legante e NMC influenza la distribuzione della rete conduttiva, il legame alle particelle di materiale attivo e la capacità di erogare corrente elevata. Per questo l'ordine ottimale deve essere determinato sperimentalmente per ogni sistema di materiali, ad esempio NMC, NCA, LFP, grafite, silicio-grafite, PVDF/NMP o sistemi a base acquosa CMC/SBR.

Per gli additivi conduttivi molto fini può essere utile una fase di dispersione a monte. Miscelatori ad alto taglio o a film sottile vengono impiegati per disgregare gli agglomerati di carbon black prima dell'aggiunta del materiale attivo, poiché la sola miscelazione planetaria non sempre scioglie completamente gli agglomerati su scala nanometrica. Un concetto spesso utilizzato a livello industriale combina quindi una dispersione intensiva a monte dell'additivo conduttivo con la successiva omogeneizzazione finale planetaria e la degasazione.

Contaminazione e sicurezza

Per tutti i materiali per batterie sono importanti sistemi chiusi, a tenuta di polvere ed eventualmente inertizzabili. Le polveri di catodo e anodo possono essere sensibili all'umidità, critiche dal punto di vista dell'ossidazione, pericolose per la salute, abrasive o soggette a esplosione di polveri. Il miscelatore dovrebbe quindi essere adattato allo specifico sistema di materiali. Vi rientrano la scelta di materiali idonea, superfici a contatto con il prodotto a bassa usura, il minor numero possibile di guarnizioni e punti di appoggio a contatto con il prodotto, un caricamento e uno svuotamento controllati, nonché l'eliminazione di altezze di caduta e vibrazioni non necessarie.

L'abrasione metallica deve essere minimizzata in particolare per i materiali catodici e anodici ad alta purezza. Superfici resistenti all'usura, rivestimenti ceramici idonei, bassi numeri di giri effettivi e una distanza utensile-parete controllata costruttivamente possono limitare l'ingresso di particelle metalliche estranee. Anche l'intera periferia – dosaggio, vagliatura, tecnica di trasporto, filtri, container, valvole e utensili di manutenzione – rientra nel concetto di contaminazione. L'idoneità non può essere dedotta solo dalla qualità di miscelazione; deve essere verificata tramite analitica elementare e analitica delle particelle dopo tempi di esercizio realistici.

Criteri di scelta

Per le miscele secche di catodo con nerofumo conduttivo e legante, di norma è efficace una combinazione di miscelazione base convettiva controllata e disagglomerazione mirata. Un miscelatore intensivo o un miscelatore a vomere con chopper può essere idoneo quando gli agglomerati di nerofumo conduttivo devono essere disgregati. Per le miscele secche sensibili o critiche per l'usura, un miscelatore verticale o conico delicato con premiscela a monte dell'additivo conduttivo può essere la scelta migliore. Per i materiali anodici con grafite o silicio-grafite vale la stessa logica di base, dove la sensibilità delle particelle, la struttura superficiale desiderata e il rischio di abrasione devono essere verificati con particolare attenzione.

Per gli slurry, i miscelatori planetari e i dissolutori planetari sono spesso la soluzione preferita. In caso di dispersione particolarmente difficile del nerofumo conduttivo o dei CNT, si può inserire a monte uno stadio separato ad alto taglio o a film sottile. I processi continui a doppia vite sono interessanti quando sono richieste portate elevate, distribuzioni del tempo di permanenza brevi e strette, dosaggio costante e una produzione interamente chiusa. Richiedono tuttavia un attento sviluppo di processo e un dosaggio gravimetrico robusto.

La qualità di miscelazione non dovrebbe essere valutata solo tramite un singolo campione complessivo. Le verifiche rilevanti comprendono la distribuzione di additivo conduttivo e legante, la dimensione degli agglomerati, la distribuzione granulometrica, la reologia e la stabilità alla sedimentazione negli slurry, l'umidità residua, il contenuto di ossigeno, la contaminazione metallica ed eventualmente le proprietà elettriche dell'elettrodo risultante. Determinante, in definitiva, non è solo una miscela omogenea, ma una microstruttura dell'elettrodo riproducibile e la conseguente prestazione della cella.