Какие смесители подходят для катодных и анодных порошков в батарейных материалах при строгом контроле загрязнения и требованиях ATEX?
При производстве литий-ионных батарей процессы смешивания катодных и анодных материалов определяют качество и имеют значение для безопасности. Подходящие смесители должны достигать требуемого качества смешивания, максимально щадить частицы, ограничивать попадание нежелательных посторонних веществ и быть интегрированы в подходящую концепцию взрывозащиты.
Катодные материалы, такие как NMC, NCA, LFP или LCO, а также анодные материалы, такие как графит, кремниевые композиты или титанат лития, заметно различаются по размеру частиц, насыпному весу, абразивности, чувствительности к влаге и электропроводности. Поэтому допустимое загрязнение и требуемую интенсивность смешивания нужно определять для каждой рецептуры и технологической ступени. Не каждый батарейный продукт автоматически взрывоопасен по пыли или особо чувствителен к влаге. Это нужно оценивать на основе фактических свойств материала.
Для сухого смешивания активных материалов, токопроводящих добавок и других порошковых компонентов подходят несколько принципов смешивания. Конусно-шнековые смесители особенно подходят для чувствительных к сдвигу, покрытых или хрупких частиц. Их медленное смесительное движение обеспечивает щадящее трёхмерное перемешивание продукта. Они особенно целесообразны, когда на первом плане стоят низкая механическая нагрузка и хорошая опорожняемость.
Плужные и интенсивные смесители обеспечивают высокую интенсивность смешивания и короткое время смешивания. Они могут подходить для хорошо или умеренно текучих порошков, а также для рецептур с добавками и агломератами. Однако дополнительные измельчающие инструменты можно применять только тогда, когда требуемое внесение энергии, возможное истирание и влияние на структуру частиц достаточно изучены.
Двухвальные лопастные смесители могут быть хорошим решением для более крупных загрузок и высокой производительности. Они создают интенсивное конвективное движение продукта и могут применяться как периодические смесители или в адаптированных концепциях также для непрерывных процессов. Решающее значение при этом имеют равномерная загрузка, подходящая конструкция выгрузки и контроль возможного расслоения.
Контейнерные и барабанные смесители особенно интересны при малых загрузках, опытных количествах и частой смене продукта. Если ёмкость служит одновременно транспортной и смесительной тарой, этапы пересыпания можно сократить. Это снижает количество открытых интерфейсов, затраты на очистку и потенциальное перекрёстное загрязнение. Акустические резонансные смесители могут быть альтернативой при малых загрузках и специальных задачах смешивания. Поскольку в ёмкости не вращаются контактирующие с продуктом смесительные инструменты, механическое истирание инструмента можно снизить. Однако их пригодность по производительности, размеру ёмкости и рецептуре нужно проверять в каждом отдельном случае.
Для производства суспензии (slurry) действуют иные требования, чем для сухого смешивания. Активный материал, токопроводящие добавки, связующее и растворитель нужно смачивать, диспергировать и при необходимости дегазировать. Планетарные и двойные планетарные смесители подходят для высоковязких электродных паст, особенно если нужно работать под вакуумом. Диспергаторы, диссольверы или системы ротор-статор могут поддерживать смачивание и разрушение агломератов. При очень высоких требованиях к диспергированию может потребоваться последующее мокрое измельчение.
Контроль загрязнения начинается с выбора всех контактирующих с продуктом материалов. Нержавеющая сталь может подходить для многих применений, но не является автоматически лучшим выбором. Если критичны отдельные металлы или металлические частицы, материалы, поверхности и допустимые скорости износа нужно целенаправленно согласовывать со спецификацией продукта. Электрополированные поверхности из нержавеющей стали могут улучшать очищаемость и снижать налипание. Покрытия, техническая керамика или полимерные облицовки также могут подходить, но их нужно оценивать с точки зрения истирания, выделения частиц, химической стойкости и очищаемости.
Также уплотнения, опоры и выводы вала являются важными источниками загрязнения. Системы уплотнений должны предотвращать проникновение продукта в области опор и попадание смазочных материалов или истирания в смесительное пространство. В зависимости от процесса могут быть целесообразны уплотнения с газовой продувкой, системы запирающего газа или малоконтактные концепции уплотнений. Магнитные сепараторы в потоке продукта могут улавливать ферромагнитные посторонние частицы. Однако они не распознают все металлические или неметаллические загрязнения и поэтому не заменяют превентивную стратегию контроля загрязнения.
Хорошая очищаемость снижает перекрёстное загрязнение между разными катодными и анодными химическими составами. Подходящий метод очистки определяется продуктом, связующим, растворителем и требуемой чистотой. Сухую очистку, ручную очистку, концепции WIP или CIP нужно каждый раз проверять на пригодность. Для чувствительных к влаге материалов влажная очистка может потребовать дополнительных этапов сушки и разрешения. Эффективность очистки следует подтверждать документированным методом.
Расчёт по ATEX определяется оценкой риска для конкретного продукта и конкретного процесса. При этом оцениваются, среди прочего, взрывоопасность по пыли, минимальная энергия зажигания, максимальное давление взрыва, минимальная температура самовоспламенения, электропроводность и при необходимости атмосферы растворителей. Внутреннее пространство смесителя для взрывоопасных по пыли порошков может классифицироваться как зона 20. Области в местах загрузки, выгрузки или фильтрации могут в зависимости от характера выбросов оцениваться как зона 21 или зона 22. Для растворителей дополнительно требуется оценка возможных газовых или паровых зон.
Эффективная концепция защиты может сочетать инертизацию, предотвращение источников зажигания и конструктивную взрывозащиту. При инертизации содержание кислорода удерживается азотом или аргоном ниже предельной концентрации кислорода, определённой для продукта. Для этого могут потребоваться исполнения, стойкие к давлению или вакууму. Исполнение, стойкое к ударной волне давления, сброс давления взрыва, подавление взрыва или развязка рассматриваются, если взрывное событие нельзя надёжно исключить.
Все электропроводящие узлы установки должны быть включены в концепцию заземления и выравнивания потенциалов. К ним относятся смеситель, инструменты, трубопроводы, фильтры, контейнеры и передвижная тара. Температуру, частоту вращения, вибрацию, подшипники и уплотнения можно контролировать, чтобы заблаговременно выявлять механические источники зажигания, такие как трение или перегревающиеся компоненты. Требуемый температурный класс определяется фактическими свойствами вещества и максимально возникающими температурами поверхности.
Общезначимой рекомендации для одного типа смесителя не существует. Для щадящего сухого смешивания часто подходят конусно-шнековые смесители или другие медленно работающие вертикальные системы. Для интенсивного сухого смешивания и более высокой производительности подходят плужные, интенсивные или двухвальные смесители. Для высоковязких электродных суспензий подходят планетарные смесители, диссольверы и другие диспергирующие системы.
Наилучший выбор возникает по результатам испытаний с оригинальным материалом. При этом следует совместно оценивать качество смешивания, щажение частиц, истирание, загрязнение, опорожняемость, очищаемость, внесение энергии и требования ATEX. Только так смеситель можно рассчитать в соответствии с рецептурой, производственным масштабом и требованиями безопасности.
Так amixon® смешивает батарейные материалы, такие как катодные и анодные порошки, с низким уровнем загрязнения, щадяще и безопасно
Батарейные материалы предъявляют высокие требования к смесительной технике. Катодные и анодные порошки должны распределяться однородно, обрабатываться максимально щадяще и перерабатываться с минимальным попаданием нежелательных посторонних частиц. Одновременно тонкие, электропроводящие, абразивные или чувствительные к влаге порошки могут предъявлять особые требования к взрывозащите, инертизации, герметичности и очищаемости.
Поэтому amixon® проектирует смесительные установки на основе конкретной рецептуры, свойств сырья, требований к чистоте, размера загрузки и предусмотренного хода процесса. В центре внимания — прежде всего сухие процессы смешивания, предварительные смеси, гомогенизация, рецептурные смеси и при необходимости комбинированные процессы смешивания и вакуумирования.
Защита от загрязнения за счёт согласованных материалов
Выбор всех контактирующих с продуктом материалов — центральная часть расчёта. В зависимости от абразивности, химической стойкости и допустимого загрязнения могут применяться износостойкие стали, закалённые смесительные инструменты, исполнения с твёрдым сплавом или керамические покрытия. Решающее значение при этом имеет не только износостойкость. Не менее важна оценка того, какие частицы могут попадать в продукт при длительной механической нагрузке.
Катодные и анодные составы могут содержать чувствительные компоненты, такие как технический углерод, частицы с покрытием или сферические грануляты. Спиральные смесительные инструменты SinConvex® и SinConcave® создают крупномасштабное тотальное течение. Они охватывают продукт по всему смесительному пространству и поддерживают интенсивное, но одновременно сравнительно щадящее перемешивание. Благодаря этому локальные нагрузки сдвига и удара можно снизить.
Цель — воспроизводимая и статистически равномерная смесь, также при разных размерах частиц, насыпных весах и концентрациях компонентов рецептуры. Достигается ли требуемое качество смешивания, зависит от продукта, рецептуры, степени наполнения и времени смешивания. Поэтому amixon® проверяет критичные задачи смешивания на оригинальном продукте в испытательном центре.
Почти полное и малорасслаивающее опорожнение
Качество смешивания должно сохраняться также во время выгрузки. Элементы ComDisc® поддерживают остаточное опорожнение смесительного пространства и могут снижать риск расслоения во время выгрузки. KoneSlid® KS обеспечивает быструю выгрузку и может ограничивать образование конуса насыпи в смесителе.
Достижимое остаточное опорожнение всегда зависит от свойств продукта. Влажность, форма частиц, абразивность, когезия и рецептура влияют на то, сколько остаточного продукта остаётся в смесителе. Однако благодаря согласованному расчёту смесительного пространства, мешалки и выпускного органа это количество можно заметно снизить. Это особенно важно для высокоценных активных материалов, при частой смене рецептур и при высоких требованиях к чистоте загрузки.
ATEX, инертизация и вакуумные процессы
Для взрывоопасных по пыли порошков или процессов с растворителями смеситель можно рассчитать на концепцию защиты, соответствующую ATEX. Оценивается ли смесительное пространство как зона 20 и какие требования предъявляются к электрическому и механическому оборудованию, определяется оценкой риска для конкретного продукта и процесса.
Для чувствительных к окислению или влаге активных материалов можно работать под инертным газом. Газонепроницаемые аппараты серий VMT и AMT можно рассчитать на вакуумный режим и инертизацию. В зависимости от исполнения и требований процесса возможны диапазоны вакуума примерно до 5 мбар абс. Благодаря этому смешивание, дегазацию и при необходимости вакуумную сушку при смешивании можно объединить в одном закрытом технологическом пространстве.
Исполнения, стойкие к давлению или ударной волне давления, могут быть частью целостной концепции взрывозащиты. Требуемый расчёт определяется показателями безопасности продукта, максимальным давлением взрыва, местом установки, а также интерфейсами к предшествующим и последующим узлам установки.
Типоразмеры вплоть до крупносерийного производства
amixon® предлагает смесительную технику от смесителя испытательного центра до крупнообъёмной производственной установки. Двухвальные смесители HM доступны в стандартных типоразмерах до 20 кубических метров и в специальных исполнениях до 50 кубических метров. Gyraton® GM можно рассчитать на крупнообъёмные загрузки в диапазоне примерно от 10 до 100 кубических метров.
Смесительный силос Gyraton® разработан для гомогенизации крупных порошковых загрузок. Он может быть особенно целесообразен тогда, когда большие количества полупродуктов, сырья или промежуточных продуктов нужно гомогенизировать перед последующими технологическими этапами. Равномерная исходная смесь может способствовать более стабильному ведению последующих процессов и снижению колебаний во всей технологической цепочке.
Однако смесительный силос Gyraton® не заменяет специализированные аппараты для мокрой химии, кальцинирования, тонкого измельчения, кислотного разложения, флотации, кристаллизации или осаждения. Его функция состоит в эффективной гомогенизации и при необходимости в контролируемой выгрузке крупных количеств сыпучего материала.
Испытания с оригинальным продуктом в испытательном центре
Перед инвестицией amixon® проверяет задачу смешивания на оригинальном продукте. В испытательном центре на головной площадке в Падерборне доступны более 30 испытательных установок разных типоразмеров. Дополнительно есть испытательные центры в Японии, Индии, Таиланде, Китае, Южной Корее и США.
Испытания можно проводить с реалистичными степенями наполнения, размерами загрузок, а также предусмотренными условиями температуры и давления. Оцениваются качество смешивания, щажение продукта, внесение энергии, истирание, опорожняемость, очищаемость и воспроизводимость. Анализ частиц и загрязнений эксплуатирующей организации или внешних лабораторий можно включить в программу испытаний. Задокументированные результаты образуют надёжную основу для выбора и расчёта производственной установки.
Гигиенический дизайн как основа
Гигиенический дизайн amixon® поддерживает очищаемость и минимизацию остатков продукта. Смесительное пространство и мешалка сварены без щелей и отшлифованы. Мешалка опирается исключительно сверху. Благодаря этому может отсутствовать контактирующий с продуктом нижний вывод вала.
Большие смотровые двери Clever-Cut® с уплотнениями OmgaSeal® обеспечивают хороший доступ к контактирующим с продуктом поверхностям. Выпускные органы с малым количеством застойных зон и опционально встроенные моющие копья поддерживают сухую или влажную очистку. В зависимости от продукта и требований рынка установку можно адаптировать к гигиеническим, регуляторным и связанным с очисткой требованиям пищевой, фармацевтической, химической промышленности или производства батарейных материалов.
Так amixon® сочетает медленные вращательные движения, высокое качество смешивания, малые остаточные количества, конструкции с низким уровнем загрязнения и смесительную технику, которую можно рассчитать на ATEX, инертизацию, стойкость к давлению или ударной волне давления. amixon® особенно эффективен при требовательной сухой гомогенизации порошков и при крупнообъёмных задачах смешивания, где решающее значение имеют щажение продукта, контролируемое опорожнение, очищаемость и технологическая безопасность.