Gut geschützt

Schüttguthandling in der Batteriefertigung

ARTIKEL AUS DER SCHÜTTGUT & Prozess 3/2023

Da die Welt sich zunehmend auf erneuerbare Energien ausrichtet, sind Batterien zu einem unverzichtbaren Bestandteil der Energiespeicherung geworden. Die Produktion von hochwertigen Batterien erfordert jedoch einen komplexen Prozess, der verschiedene Fertigungsstufen umfasst, einschließlich des Schüttguthandlings.

Der Umgang mit Pulvern spielt eine entscheidende Rolle in der Batterieproduktion, da er den Transport, die Lagerung und die Verarbeitung von pulverförmigen Materialien umfasst, die in den Batterieelektroden verwendet werden. Die Handhabung dieser Pulver erfordert ein sensibles Gleichgewicht zwischen der Gewährleistung ihrer Reinheit, der Verhinderung von (Kreuz-) Kontaminationen und der Aufrechterhaltung optimaler Bedingungen für ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften.

Der Trend zur Elektromobilität sowie -speicherung treibt den Bedarf an Lithium und anderen Rohstoffen wie Cobalt, Nickel und Mangan – speziell bei der Batteriefertigung – voran. Bei der anspruchsvollen Produktionskette der Akkus stellt die Zuführung von Ausgangsmaterialien den ersten, aber für die Qualität des Endproduktes entscheidenden Schritt dar. Auch hier spielt das Schüttguthandling eine wesentliche Rolle für die Lebensdauer und Leistung der Batterie. Neben dem Ex-Schutz gilt es auch, Containment-Aspekte zu beachten.

Herstellung von Batteriemassen

Die Firma HECHT Technologie realisiert und bietet hochmoderne Entleer-, Förder- und Dosiertechnologien für die Herstellung unterschiedlichster Batteriebestandteile. Das Hauptaugenmerk liegt auf der kontinuierlichen
und exakten Zuführung von Rohstoffen für die Produktion von Kathoden und Anoden. Der Schutz der Anwender und des Produkts steht dabei im Fokus..

Im Folgenden beschreiben wir die Anlage eines namhaften Batterieherstellers mit Hauptsitz in Deutschland. Die installierte Kombi-Anlage besteht aus einer Anodenlinie und einer Kathodenlinie. Beide Linien bestehen wiederum aus zwei getrennten, voneinander unabhängigen Teilanlagen. In jeder Teilanlage wird prinzipiell der gleiche Prozess ausgeführt, beginnend an den Aufgabestationen.

In der Anlage werden die pulverförmigen Bestandteile aufgegeben, gefördert und in einen bauseitigen Mischbehälter dosiert. Das Pulver wird dann in den nachfolgenden Prozessschritten für die Herstellung der
Elektrodenpaste der Anode für Lithium-Ionen-Batterieelektroden verwendet. Insgesamt wurden zwei Mischstationen mit zugehörigen Produktaufgaben geliefert.

Der Hauptbestandteil für die Anodenund Kathodenmaterialien werden in Big-Bag-Entleerstationen staubarm aufgegeben. Big-Bag-Entleerstationen bestehen im Wesentlichen aus 4 Bestandteilen, nämlich einem Anschlusssystem als Kernkomponente für die sichere Entleerung, dem Auflagetisch zur Absicherung bei schwebenden Lasten, dem Gestell zur Befestigung des Anschlusssystems sowie einem Hubgerät. Die implementierten Big-Bag-Entleerstationen sind zusätzlich mit einem Klumpenbrecher ausgerüstet, der Agglomerate und Klumpen vor der Förderung und Dosierung beseitigt.

Zunächst wird der Big Bag an das HECHT Liner-Anschluss-System LASEC zum geschlossenen Produkthandling angeschlossen. Dies zeichnet sich durch ein definiertes, sicheres Handling mit logischem Bedienablauf
in wenigen Schritten aus und sorgt für ein leichtes, ergonomisches und sicheres Austragen von Pulvern. Auch beim Wechseln der Big Bags ist das System immer geschlossen zur Umgebung, so dass kein Produktstaub
nach außen verschleppt wird. Der geforderte OEB-4-Level für die NMC-Produkte kann dadurch eingehalten werden.

Die für die Batterieherstellung notwendigen Materialen Ruß und Grafit sind für den Bediener relativ unkritisch und werden in der Regel ohne OEB-Level-Vorgaben erarbeitet. Für die Entleerung dieser Produkte wurde das
HECHT Liner-Anschluss-System LAS-EC für OEB-Level 4 eingesetzt. Dies allerdings aus Gründen der Sauberkeit für die Umgebung sowie auch Vermeidung von eventuellen Kreuz-Kontaminationen.

Die Kleinmengen werden in Säcken in unterschiedlichen Größen angeliefert und staubarm entleert. Dafür werden die Säcke über eine Zuführung/Schleuse in eine Sackentleerstation mit Glovebox eingebracht. Die
Säcke werden dann über Handschuheingriffe geöffnet und entleert. Die leeren Säcke werden über einen seitlichen Abwurf in einen Liner entsorgt. Ein Kugelabsaugschuh mit Rührwerk unterhalb der Glovebox führt
das Produkt dem pneumatischen Transportsystem zu. Dadurch ist eine gleichbleibende Schüttgutqualität und Korngrößenverteilung gegeben.

Im nächsten Schritt wird das Pulver zur Dosierstation mittels Vakuumförderer (PCC) transportiert. Dies geschieht im ProClean Conveyor PCC der Firma HECHT. Dies ist ein sehr leistungsfähiger, hochflexibler pneumatischer Förderer für lange Förderwege und den sicheren Transport von explosiven oder toxischen Stoffen.

Für jedes Produkt wird ein eigenes Fördersystem eingesetzt. Die Fördergeräte dienen gleichzeitig als Vorlagebehälter, aus denen in den bauseitigen Mischbehälter dosiert wird. Die geforderte Genauigkeit in der Primärverwiegung und der Entnahmeverwiegung wird problemlos erreicht. Falls mehrere Materialien in einen Mischbehälter gefördert werden, erfolgt dies sequenziell nach einer vorgegebenen Rezeptur. So werden maximal bis zu drei verschiedene Feststoffe in den mobilen Mischbehälter befördert. Die Anzahl der Produkte als auch der Fördergeräte kann bei Bedarf erweitert werden.

Nach jeder Einzeldosierung wird mittels der Kontrollverwiegung das Dosierergebnis im Mischbehälter überprüft. Der Mischbehälter befindet sich in einer Absaugkabine und wird mit einem pneumatisch betätigten Auflagedeckel verschlossen. Der Deckel ist mit Anschlüssen für die Komponenten und einer Entlüftung versehen. Im Anschluss wird im bauseitigen Mischer unter Zugabe von Flüssigkeit die sogenannte Elektrodenpaste herstellt. Diese wird im weiteren Prozess auf ein Metallsubstrat aufgetragen, getrocknet und ausgeschnitten. Die sogenannten Separatorfolien bestehen aus porösen Kunststoffen, die zwischen den beiden Elektroden angebracht werden, um eine Kurzschlussbildung zu verhindern. Im letzten Schritt werden die Elektroden und Separatoren in Schichten übereinandergestapelt und in ein Gehäuse eingeschlossen, welches
mit einem Elektrolyt befüllt wird, das die Ionen zwischen den Elektroden transportiert. Das Gehäuse wird schließlich versiegelt, um das Auslaufen des Elektrolyts zu verhindern.

Recyclingverfahren

Nicht nur die Herstellung von Batterien ist ein komplexer Prozess, sondern auch das Recycling ist ein wichtiger Aspekt, um die Umweltauswirkungen von gefährlichen Chemikalien zu reduzieren. Es gibt jedoch einige Schwierigkeiten, die den Prozess des Batterierecyclings erschweren. Speziell Carbon Black, das aus Kohlenstoff besteht, ist sowohl ein nützlicher, aber auch ein potenziell gefährlicher Stoff, wenn er eingeatmet wird. Die feinen Partikel können in die Lungen gelangen und zu Atemproblemen führen. Aus diesem Grund müssen bei der Verwendung von Carbon Black Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Carbon Black kann aus Altbatterien durch ein Recyclingverfahren gewonnen werden, das als Pyrolyse bezeichnet wird. Pyrolyse ist ein thermischer Abbau von organischen Materialien in einer sauerstofffreien Umgebung. Im Falle von Batterien werden diese zuerst mechanisch zerkleinert und in ihre Einzelteile zerlegt. Anschließend werden die Batterieteile in einem Ofen unter sauerstofffreien Bedingungen erhitzt.

Durch die Erhitzung werden die organischen Materialien in der Batterie abgebaut und es entsteht ein Gemisch aus flüssigen und gasförmigen Bestandteilen sowie Carbon Black. Das entstandene Gemisch wird dann in
verschiedenen Prozessschritten aufbereitet, um das Carbon Black von anderen Bestandteilen zu trennen und zu reinigen. Das gewonnene Carbon Black kann dann in anderen Anwendungen wie Gummi- und Kunststoff-
herstellung eingesetzt oder erneut bei der Batterieproduktion Verwendung finden. Auch andere Rohstoffe werden durch das Recyclen zurückgewonnen, z. B. Lithium, Cobalt, Nickel als auch die Trägerfolien aus Kupfer oder Aluminium. Um diese Produkte im letzten Schritt sicher und für den Bediener ungefährlich abzufüllen und für den Transport vorzubereiten, kommen diverse HECHT Containment-Förderstationen und/oder -Befüllstationen zum Einsatz.

Über HECHT Technologie

HECHT Systeme sichern viele Aufgaben in der innerbetrieblichen Rohstoffversorgung auf höchstem Niveau und bietet eine nahezu unbegrenzte Anzahl von „Sondermaschinen“ als passgenaue Lösung für jede Anforderung. Für alle Prozessschritte bieten Hecht verschiedene Standardlösungen, die vielseitig miteinander kombiniert und so an unterschiedlichste Anforderungsprofile genau angepasst werden können. Speziell bei Herstellungsprozessen mit hohen Containment-Anforderungen gilt es, alle Schnittstellen einzubeziehen, um ein bestimmtes Containment-Level zu erreichen. Containment dient gerade in der pharmazeutischen oder chemischen Branche dem Gesundheitsschutz des Bedieners sowie auch dem Schutz des Produktes vor (Kreuz-)Kontamination.