Hauptkomponenten von LIB-Zellen
Vermahlung
Eine Möglichkeit für die Synthese von Kathoden- und Anodenmaterialien ist der sogenannte Festkörperprozess.
Bei diesem Prozessweg wird das Aktivmaterial aus den Rohstoffen durch chemische Umwandlung in geeigneten Ofenanlagen erzeugt. Abhängig von den verwendeten Rohmaterialien kann zur Vorbereitung des Syntheseprozesses eine Nassmahlstufe mit trockenen Vormahlprozessen erforderlich sein.
Je feiner das Material und je gleichmäßiger die Mischung ist, also je sorgfältiger die Deagglomeration durchgeführt wird, desto effizienter ist die Batterie.
Vermahlung
Die von außen ausgeübte Druckenergie wird in elastische Verformung der Partikel umgewandelt. Bei Überschreiten eines kritischen Wertes bricht das Partikel. Die von außen ausgeübte Energie führt im Produkt zur Bildung einer neuen Oberfläche.
Deagglomeration
Die Primärpartikel sind sehr fein (unter 1 Mikron). Durch den Trocknungsvorgang oder durch elektrostatische Kräfte kommt es jedoch zu Agglomeration. Der Deagglomerationsprozess ist ein Trockendispergierungsvorgang, bei dem keine neuen Oberflächen entstehen.
Prozesslösungen
Für diesen Prozess werden Maschinen für das Feinmahlen von Feststoffen aller Härtegrade bis auf einen beliebigen Feinheitsgrad eingesetzt.
Aufgrund der starken chemischen Reaktion ist für NCM-Batterien mit hohem Nickelgrad LiOH eine besser geeignete Lithiumquelle als LiCO3. Die Zielgröße für LiOH beträgt ca. 7 – 8 Mikron (d50). Bei diesem Prozess ist die Strahlvermahlung die geforderte Lösung.
Infolge der thermischen Behandlung kommt es zu einer Agglomeration der Produkte, was wiederum einen Deagglomerationsprozess erforderlich macht. Dabei kommt üblicherweise eine Luftstrahlmühle wie das Modell CGS zum Einsatz.
Strahlmühlen sind verfahrenstechnische Maschinen, bei denen ein Fluid mit bestimmtem Druck und einer bestimmten Temperatur angewandt wird. Zum Einsatz kommen hier Gas oder Dampf in expandierenden Strahlen. Die Partikel werden beschleunigt und überwiegend durch die Kollision zwischen den Partikeln zerkleinert.
Für Kathodenmaterialien (LMO, NMC, LFP…), Anodenmaterialien (LTO, Silizium-basierte Materialien) und keramikbeschichtete Separatoren kommen Nassmahlprozesse zum Einsatz.
Die Ionen-Diffusionskonstante hängt von der Partikelgröße ab, da die Diffusion im Nanogrößenbereich viel schneller abläuft als im Mikrobereich oder bei Schüttgut. Eine größere Oberfläche führt jedoch auch zu unerwünschten Nebeneffekten wie einer geringen Packungsdichte in der Kathode und potenziellen Reaktionen zwischen Elektrode und Elektrolyt.
Nassmahlen - Aus diesem Grund ist eine engere Partikelgrößenverteilung erforderlich; Vermahlungslösungen wie Neos und Zeta® können die geforderte Partikelgrößenverteilung erreichen.
Ein Nassmahlsystem ist die Lösung für Anodenmaterialien. Aufgrund der zunehmenden Anforderungen, insbesondere nach größerer Kapazität, ist Silizium-basiertes Anodenmaterial immer mehr als das Anodenmaterial der Zukunft in den Fokus gerückt. Der Grund hierfür ist, dass Silizium eine um zehn Mal höhere spezifische theoretische Kapazität aufweist als Graphit.
Silizium verändert jedoch bei der Aufnahme und Abgabe der Lithiumionen sein Volumen sehr stark. Die Folge sind niedrige Zykluszahlen aufgrund struktureller Schäden; vor der gewerblichen Nutzung müssen diese Probleme gelöst werden.
Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems ist die Herstellung eines Silizium-Graphit-Nanokomposits. Das Siliziumrohmaterial ist normalerweise metallurgisches Silizium; daneben gibt es eine andere Art von Silizium wie das Polysilizium, das als Nebenerzeugnis bei der Verarbeitung von Elektromaterialien anfällt. Dieses Siliziumpulver muss bis in den Nanobereich, üblicherweise kleiner als 100 nm gemahlen werden, um die Verformung während der Lithiumionenaufnahme und -abgabe zu minimieren. Nach der Trocknung erfolgt eine Beschichtung mit Kohlenstoff, z. B. auf Pechbasis. Die Vermahlung erfolgt in Nanomühlen wie dem Modell Zeta® RS. Nach der Kohlenstoffbeschichtung folgt die Vermahlung in einer Trockenmühle. Es ist jedoch möglich, dass nach dem Mahlprozess wieder blankes, also nicht mit Kohlenstoff beschichtetes Silizium offen liegt, weswegen dieser Vorgang 2 bis 3 Mal wiederholt werden kann.
Pumpenlösung
Pumpen wie die NEMO® Exzenterschneckenpumpen oder die PERIPRO® Schlauchpumpen sind wichtige Bestandteile von Batterieproduktionsanlagen, die zur Förderung sowie Dosierung unterschiedlicher Arten von Klebstoffen, Batterieschlämmen und anderen Medien eingesetzt werden.
Die Drehzahl ist sehr klein, dadurch wird nur eine niedrige Scherkraft auf das Medium ausgeübt, was zur Folge hat, dass sich die mechanischen und chemischen Eigenschaften des Mediums nicht ändern und die Viskosität erhalten bleibt, ohne dass die Emulsion bricht. Bei der Anwendung unserer bewährten Pumpensysteme ist das Verdrängungsvolumen der Pumpe bei jeder Umdrehung gleich, dies ermöglicht eine drehzahlproportionale Dosierung.
Zudem bieten die Pumpenlösungen von NETZSCH eine pulsationsfreie sowie kontinuierliche Förderung. Dies eignet sie besonders für scherempfindliche Medien mit hohem Feststoffgehalt und hoher Viskosität. Insbesondere bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterie-Elektroden, werden in der Regel Pumpen zur Dosierung oder Messung von Schlämmen, Lösungsmitteln oder wässrigen Medien eingesetzt.
Analyzing Solution
In the process of making the batteries anode and cathode, the raw material is heat-treated and sintered.
Sintering is the process of heating the mixed raw material and making it into a thermosetting material. For heat treatment and sintering, it is important to understand the thermal properties of the batteries’ raw materials and active materials.
By doing a thermal analysis of active materials, thermal behavior can be identified according to the composition of each active material. For example, when the active materials reacting with active gases such as O2 and H2, the properties of active materials change. To avoid this phenomenon, there is a method of measuring thermal properties with TGA and DSC. The TGA analyzes the changes of mass under the inert gas atmospheres such as N2 and Ar in the Glove box. DSC analyzes the thermal properties of active materials by preventing the active gas reaction by sealing with a high-pressure sample fan. In addition, the gas from thermal analysis can also be analyzed by coupling GC-MS or QMS to the TGA or STA. In addition, DIL or TMA can be utilized to evaluate the sintering of the material.