Die Entwicklung von Hochleistungsbatterien ist von entscheidender Bedeutung, um die effektive Nutzung erneuerbarer Energiequellen zu ermöglichen und die beispielsweise die Elektrifizierung von Fahrzeugen voranzutreiben. All diese Entwicklungen sind zweifellos auf Durchbrüche bei den Materialien angewiesen. Die Optimierung des Anodenmaterials ist daher ein wichtiges Forschungsgebiet, und das richtige Mischen ist ein wesentlicher Bestandteil des Prozesses.
Für Batterien werden sowohl Anode als auch Kathode in der Regel durch Mischen von aktivem Material (Graphit), Bindemittelpulver, Lösungsmitteln und Additiven hergestellt (Stichwort "Slurry-Mix"). Diese Aufschlämmung wird dann in eine Beschichtungsmaschine gepumpt, die die gemischte Aufschlämmung auf die Aluminiumfolie für die Kathode und die Kupferfolie für die Anode aufträgt.
Herausforderung beim Mischen von Anoden
Anoden haben eine Vielzahl von Zusammensetzungen für unterschiedliche Anwendungen. Die gebräuchlichsten Materialien für Anoden sind Kohlenstoff/Graphit als aktives Anodenpulver, Carboxymethylcellulose (CMC) als Bindemittel/Filmbildner, dazu kommen leitfähige Stoffe und Additive sowie deionisiertes Wasser als Lösungsmittel. Beim Mischen dieser Komponenten kommt es dann auf viel Know-how und Erfahrung an. Fabio Boccola, CEO von Hauschild Engineering, verrät, welche Prozedur notwendig ist, damit das Mischergebnis überzeugt. „Zunächst wird das Bindemittel in den anderen Pulvern durch eine Trockenmischung dispergiert. CMC neigt zum Verklumpen, wenn es direkt in Wasser gegeben wird. Deshalb empfehlen wir, mit unserem Hauschild SpeedMixer erst das Trockenmischen des CMC-Pulvers mit dem Kohlenstoff-/Graphitpulver für ca. 30 Sekunden bei mittlerer Geschwindigkeit. So dispergiert es und verhindert das Verklumpen bei der Zugabe zum Wasser. Auch die Viskosität/der Feststoffgehalt kann im letzten Schritt auf die gewünschten Werte eingestellt werden. Zudem empfiehlt sich die Verwendung eines Mischbehälters mit einem Deckel, der in der Mitte ein kleines Loch hat, um einen Druckaufbau zu verhindern. Durch das Mischen unter Vakuum werden Hohlräume/Blasen, gelöste Gase und an Füllstoffe/Pulver adsorbierte Gase entfernt.“
Mischen von Kathoden und Separatorfolie
Aktive Kathodenmaterialien sind die Hauptelemente, die die Unterschiede in der Zusammensetzung bei der Herstellung von positiven Elektroden für Batteriezellen bestimmen. Die Kathodenmaterialien bestehen aus Kobalt, Nickel und Mangan, die in ihrer Kristallstruktur ein Multimetalloxidmaterial bilden, dem Lithium zugesetzt wird. Die Optimierung und Prüfung von Materialien wird für die Weiterentwicklung der Batterietechnologie immer wichtiger, da die Nachfrage nach leistungsfähigeren Batterien weiter steigt.
Fabio Boccola erläutert: „Das Auflösen des Bindemittels Polyvinylidenfluorid (PVDF) in dem Lösemittel N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) kann in herkömmlichen Geräten ein stundenlanger, zeitaufwändiger Prozess sein. Es ist üblich, dass Labors ein Konzentrat vorauflösen, um bei jeder Formulierung Zeit zu sparen. Die Zubereitung eines Konzentrats in einem Hauschild SpeedMixer hingegen geschieht in der Regel in weniger als zehn Minuten.“
Neben der Kathoden- und Anodenmischung lässt sich auch die zwischen Kathode und Anode benötigte Separatorfolie schnell und sicher herstellen. Der Separator, der - wie der Name schon sagt - Anode und Kathode physikalisch trennt, ist eine mikroporöse Verbindung, die in der Regel auf Kunststoffen wie Polypropylen oder Polyethylen basiert.
Während das Material selbst viel einfacher zu mischen ist als die viel zähflüssigeren Komponenten von Kathode und Anode, besteht die Herausforderung beim Mischen des Separators in der erforderlichen Homogenität. Hohlräume in der endgültigen Mischung müssen minimiert werden, um mehr Lithiumspeicherplätze zu schaffen.
Das Erfolgsgeheimnis: Nutzung der Zentrifugalkräfte
DAC steht für Dual Asymmetric Centrifuge. Das Besondere an diesem Mischprinzip ist die doppelte Rotation des Mischbechers. Die Kombination von Fliehkräften, die in unterschiedlichen Ebenen wirken, ermöglicht einen äusserst effizienten Mischprozess, der sich durch ein homogenes Ergebnis auszeichnet - ohne den Einsatz von Rührwerkzeugen. Dabei wird bereits während des Mischvorgangs eine nahezu 100-prozentige Entgasung erreicht, die selbst kleinste Mikrobläschen entfernt. Ein zusätzlicher Entgasungszyklus ist nicht erforderlich. Für die vollständige Entgasung stehen Mischgeräte mit Vakuumtechnik zur Verfügung. Programmierbare Zyklen gewährleisten eine absolut identische, reproduzierbare Mischung jeder Charge und führen zu einer erheblichen Beschleunigung des Entwicklungsprozesses.
Fabio Boccola sagt: "In F&E-Labors sind Hauschild SpeedMixer ein wesentlicher Bestandteil der Ausrüstung. Sie sind schnell, hocheffizient, staubfrei, es ist keine weitere Reinigung erforderlich, und Mitarbeiter und Umwelt werden weniger belastet. Dank seiner extrem schnellen Durchmischung verkürzt der Hauschild SpeedMixer den Produktentwicklungs-, Analyse- und Qualitätssicherungsprozess in Laboren enorm. Die Welt braucht bessere Batterien - und wir sind stolz darauf, an vielen neuen Innovationen beteiligt zu sein".
