Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien und Supercaps setzen auf EIRICH-Mischtechnik

High-Tech-Produkte wie Lithium-Ionen-Batterien oder Supercaps haben einen komplizierten Aufbau. Bei der Herstellung müssen eine Vielzahl von Substanzen gemischt und so aufbereitet werden, dass sich die erwarteten Eigenschaften ergeben; in vielen Fällen spielen auch Coating- und Dispergiervorgänge eine große Rolle. Erste Untersuchungen in 2012 haben gezeigt, dass der Einsatz eines EIRICH-Mischers eine Reihe von Vorteilen bringt. Mehrere Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien und Supercaps haben sich inzwischen für Mischtechnik von EIRICH entschieden.

In vielen Branchen ist der Mischprozess einfach, weil die Rohstoffe vergleichbare Schüttdichten haben. Bei der Herstellung von Batterien und Supercaps ist dies anders. Hier kommen neben Aktivmaterialien mit zum Teil relativ niedrigen Schüttgewichten wie beispielsweise Graphiten oder Aktivkohlen auch Rohstoffe mit sehr hohen Schüttgewichten und Dichten wie beispielsweise Lithium-Cobalt(III)-oxid zum Einsatz. Daneben werden nanopartikuläre Leitruße oder Oxide eingesetzt, die sehr viel leichter sind als die übrigen Rohstoffe. Beim Misch-und Dispergierprozess führt dies bei der Verwendung einfacher Mischer, wie z. B. Pflugschar- oder Planetenmischer, zu systembedingten Einschränkungen. Aus der Literatur ist bekannt, dass einfache Mischer insbesondere beim Trockenmischen bei längerem Mischen zum Entmischen neigen, der Mischprozess also nicht beliebig lange dauern darf. Damit wird es schwierig, das Optimum der Mischgüte anzufahren. Darüber hinaus reicht häufig die erzielbare Schergeschwindigkeit nicht aus, um die stark agglomerierten Rohstoffe vollständig zu desagglomerieren. Zudem erfolgen bei der Herstellung von Beschichtungsmassen nach dem Trockenmischen zwei weitere Prozessschritte: eine Flüssigkeitszugabe und ein Dispergierprozess. Das Material muss dazu aus dem „einfachen Mischer“, wie z.B. einem Pflugscharmischer, in ein geeignetes Dispergiergerät, z.B. einen Dissolver, aufwändig umgefüllt werden.

Untersuchungen an Hochschulen und bei Kunden haben gezeigt, dass EIRICH-Mischer, in der vorliegenden Ausführung als EIRICH-MixSolver^® bezeichnet, hier deutliche Vorteile bringen: Mischen und Dispergieren erfolgen in ein und demselben Aggregat, das Umfüllen nach dem Trockenmischen entfällt.

Was sind die Gründe hierfür? Bei üblichen Mischern und Dissolvern muss das Werkzeug sowohl die Materialbewegung als auch das eigentliche Mischen und Dispergieren bzw. Desagglomerieren ausführen. Im EIRICH-MixSolver^® hingegen übernimmt ein drehender Behälter die Materialbewegung, weshalb das im Behälter exzentrisch angeordnete Werkzeug optimal auf den Misch- und Dispergiervorgang ausgelegt sein kann. Die Trennung zwischen Materialtransport und Misch- bzw. Dispergiervorgang ermöglicht es zudem, die Geschwindigkeit des Werkzeuges, und so den Leistungs- bzw. Scherenergieeintrag in die Mischung, in weiten Grenzen zu variieren und der jeweiligen Misch- und Dispergieraufgabe anzupassen. Somit können in diesem einzigartigen System alle Viskositätsbereiche und Konsistenzen von trocken über plastisch bis hin zur Suspension verarbeitet werden. Damit werden oft besonders wirtschaftliche Single-Unit-Prozesse möglich.

In vielen Branchen bedeutet das, dass bereits die trockene Vormischung unterschiedlicher Rohstoffe und auch die Trockendispergierung im EIRICH-Mischer erzeugt werden kann. Durch Zugabe von Flüssigkeit wird die plastische Phase angefahren, in der mit hohem Leistungseintrag benetzt, homogenisiert und dispergiert wird. Mit Zugabe weiterer Flüssigkeit wird dann der gewünschte Feststoffgehalt bzw. die gewünschte Viskosität eingestellt. Sowohl Dispersionen mit niedrigen als auch mit hohen Viskositäten sind so in kurzer Zeit, oft in unter 15 Minuten, herstellbar; die bisher oft Stunden dauernde Aufbereitung wird damit auf wenige Minuten verkürzt; in vielen Fällen entfällt eine zuvor notwendige Kühlung des Mischgutes.

Durch das besondere Mischprinzip des EIRICH-MixSolver^® eröffnet sich zudem auch die Möglichkeit, bei der Herstellung der Beschichtungsmassen auf das zeitaufwändige Vorlösen des pulverförmigen Binders zu verzichten. Der Binder wird einfach als Trockenstoff zusammen mit den anderen trockenen Rohstoffen zu Beginn zugegeben und erst nach der Flüssigkeitszugabe in der plastischen Phase aufgelöst, ohne die sonst übliche Neigung zur Verklumpung. Durch diesen innovativen Single-Unit Prozess können die notwendige Anlagentechnik zur Herstellung und damit die Investitions- und Betriebskosten wesentlich reduziert werden.

Die EIRICH-Technik ist weltweit in vielen Branchen im Einsatz, zum Mischen, Granulieren, Coaten, Kneten und Dispergieren – alles in ein und derselben Maschine möglich. In Baugrößen von 1 Liter bis 3.000 Liter ist nur ein einziges Misch- bzw. Dispergierwerkzeug notwendig. Daraus resultiert eine sehr gute Scale-up-Fähigkeit des Aufbereitungssystems.

Weitere Vorteile kann der Einsatz der EVACMIX^®-Vakuumtechnik bringen. Beim Trockenmischen ergibt sich eine deutlich bessere Auflösung von Agglomeraten; durch den Entfall der polsternden Luft steigt der Leistungseintrag deutlich an; Scherkräfte können mit einem höheren Wirkungsgrad in das Produkt eingeleitet werden. Kneten und Dispergieren unter Vakuum stellt dann blasenfreie Suspensionen für beispielsweise anschließende Beschichtungsprozesse sicher. Natürlich ist auch Arbeiten unter Schutzgas möglich, ebenso wie Erwärmen, oder Kühlen mittels der hocheffizienten Verdampfungskühlung.

Angemerkt sei hier, dass bei der Aufbereitung von sogenannten Bleipastiermassen für die Herstellung von Blei-Säure-Starterbatterien (z.B. für den Einsatz in PKWs und LKWs) weltweit der EIRICH-Mischer zum Standard wurde, nachdem wissenschaftliche Untersuchungen um das Jahr 2000 ergeben haben, dass damit eine höhere Beladungsfähigkeit sowie eine längere Lebenszeit der Akkumulatoren zu erreichen sind. Auch bei Lithium-Ionen-Batterien ergeben sich deutliche Steigerung von Leistungsparametern, wie z.B. die elektrochemische Performance und das Haftvermögen der Beschichtung. Es ist deshalb davon auszugehen, dass die Branche auch in Zukunft verstärkt auf EIRICH setzen wird.

Weitere Informationen:

Weitere Informationen: Dr. Stefan Gerl, E-Mail: stefan.gerl@eirich.de