Zukunftsmischer
Spezialmaschine für die hohen Anforderungen des Kathodenmarkts
Transport und Stromerzeugung sollen möglichst kohlenstoffarm sein. Realisierbar ist dies nur durch den vermehrten Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien. Dafür gilt es, die Produktion von Kathodenpulvern quantitativ und qualitativ deutlich zu steigern. Dazu wiederum ist es nötig, das entsprechend hochwertige Instrumentarium für Mischaufgaben einzusetzen.
„Wir sehen aktuell in vielen Branchen, dass der weltweite Bedarf an Batterien förmlich explodiert. Damit steigt auch die Nachfrage nach hochwertigen Kathodenmaterialien, deren zuverlässige, zeitnahe und kostengünstige Kathodenproduktion von entscheidender Bedeutung für die Hersteller ist,” erklärt Roberto Neviani, Division Manager bei MAP Mixing Technology, der Mischtechniksparte von WAMGROUP.
Lithium-Ionen-Batterien extrem nachgefragt
Um die Jahrtausendwende belief sich der weltweite Absatz von Lithium-Ionen-Batterien auf etwa 2 GWh. Diese wurden nahezu vollständig in elektronischen Geräte verbaut. Mittlerweile, zwei Jahrzehnte später, werden 185 GWh nachgefragt. Die Spitzenposition nehmen dabei die E-Mobilitätsanwendungen ein: Diese generieren eine Nachfrage von ca. 100 GWh. In zwei Jahren rechnen Experten mit einer Verdoppelung auf 420 GWh. Und für 2030 prognostizieren sie einen Bedarf von über 2000 GWh – ein tausendfacher Anstieg in drei Jahrzehnten.
Diese bemerkenswerten Zahlen veranschaulichen eine einfache Tatsache: Angetrieben durch den Übergang zu kohlenstoffarmen Formen des Transports und der Stromerzeugung wird die Welt in den kommenden Jahren Lithium-Ionen-Batterien benötigen. Um diese wachsende Nachfrage zu bedienen, muss die Produktion von Kathodenpulvern nachziehen. Gleichzeitig streben Batteriehersteller und die von ihnen belieferten Unternehmen – allen voran die Automobilbranche – kontinuierlich danach, die Batterieleistung zu steigern. Die Qualität der Batterierohstoffe ist hierbei einer der Schlüssel, um dieses Ziel zu erreichen.
Hohe Ansprüche an Kathodenpulver-Hersteller
Bei Investitionen in Anlagen sehen Hersteller von Kathodenpulver daher mehrere Notwendigkeiten: Einerseits kommt es darauf an, den Output zu erhöhen. Andererseits gilt es, die Produktqualität in Einklang mit den strengen Qualitätsspezifikationen der Batteriehersteller zu bringen. Zudem müssen Batterien so nachhaltig und kosteneffizient wie möglich produziert werden. Denn nur so wird sichergestellt, dass der Übergang zu Elektromobilität und erneuerbarer Energie sowohl effektiv als auch erschwinglich ist. Insgesamt also ein Blanceakt. Dieser basiert auf Fertigungstechnologien, die Kathodenpulver von gleichbleibend hoher Qualität schnell und mit minimalem Energieaufwand produzieren.
Den Batterieherstellern steht eine Vielzahl von Kathoden-Aktivmaterialien zur Verfügung. Das am weitesten verbreitete Rezept kombiniert Lithiumcarbonat (LiCO3) mit Nickel, Kupfer und Mangan, um ein Vorläufermaterial für Lithium-Nickel-Kupfer-Manganoxid (LiNiMnCoO2) herzustellen, das allgemein als NCM abgekürzt wird. Andere üblichen Aktivmaterialien umfassen:
- LCO: Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2)
- LMC: Lithiummanganoxid (LiMn2O4)
- NCA: Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (LiNiCoAlO2)
Neuere NCM- und NCA-Technologien ersetzen Lithiumcarbonat durch Lithiumhydroxid (LiOH)
Das Mischen der Rohstoffe in einem Pflugscharmischer ist der entscheidende erste Schritt zur Erzeugung dieser Vormaterialien (gegen Ende des Prozesses erfolgt noch ein zweiter Mischschritt in einem Bandwendelmischer). Diese Mischer stehen vor einer Reihe von schwierigen betrieblichen Herausforderungen: konstante Produktqualität liefern, zuverlässige Mischung der Komponenten garantieren und Abrieb, Korrosion sowie Kontamination vermeiden. Idealerweise verbrauchen sie auch sehr wenig Stromverbrauch. Denn die Mischer laufen oftmals 24/7.
Spezialmaschine für hochwertige, effiziente Mischung
Der Einwellen-Pflugscharmischer WBH Lithium von MAP ist eine Spezialmaschine für die Batterie-Massenproduktion, um den hohen Anforderungen des Kathodenmarktes gerecht zu werden. „Da die Vorbereitung der Kathodenmaterialien die Grundlage für Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien ist, haben wir den WBH-Mischer so konzipiert, dass Kontaminationen vermieden werden und eine hochwertige und effiziente Mischung erzielt wird“, erklärt Neviani.
Die Konstruktion des WBH-Mischers basiert darauf, das Material im Inneren mechanisch zu fluidisieren. Ermöglicht wird dies durch Form und Position des Mischwerkzeugs sowie der definierten Rotationsgeschwindigkeit der Mischwelle. Dies gewährleistet eine vollständige Mischung von Materialien unterschiedlicher Partikelgrößen und Schüttdichten mit hoher Präzision in kürzester Zeit.
Vielfältiger Schutz vor Kontaminationen
Um für die Batterieproduktion zugelassen zu werden, sind Verunreinigungen um jeden Preis zu vermeiden. Deshalb sind alle Teile und Zubehöre der Batteriemischer von MAP aus hochwertigem 304L/316L-Edelstahl hergestellt sowie zink- und kupferfrei. So wird das Risiko ausgeschlossen, dass eines dieser Metalle im Endprodukt landet.
„Auch die Hauptwellendichtung und die Austragsklappen sind an die hohen Anforderungen der Kathodenpulver-Massenproduktion angepasst“, so Neviani. „Die Dichtungen sind staubdicht und verhindern, dass giftiges mikronisiertes Pulver aus dem Mischer in die Umgebung austritt, und verhindern gleichzeitig das Eindringen von Verunreinigungen in die Kathodenpulvermischung.“
Die Innenflächen des Mischergehäuses sind mit technischer Keramik ausgekleidet, die vor chemischem Angriff und Abrieb schützen. Die Abmessungen und Ausrichtung der Keramikplatten sind so gewählt, dass Verschleiß minimiert wird. Die Mischwerkzeuge und Messerköpfe werden mit verschleißfestem Keramik-Thermospray geschützt. Außerdem dreht der Mischer langsamer als vergleichbare Maschinen, was den Verschleiß nochmals deutlich reduziert. „Unsere Mischer sind dank einer speziell entwickelten Inspektions- und Wartungsklappe leicht zu reinigen und zu warten, während die Mischwerkzeuge im Interesse einer einfachen Justierung und eines bequemen Austauschs entwickelt wurden“, fügt Neviani hinzu. „Dank der Kombination aus verschleißfesten Komponenten und Wartungsfreundlichkeit erreichen WBH-Mischer besonders lange Standzeiten von bis zu 15 Jahren im Fall der Mischkammer.“
Der WBH-Mischer ist mit Kapazitäten von 75 – 25.000 Litern pro Charge erhältlich. Die Leistung der Antriebseinheit ist dabei vergleichsweise niedrig, z. B. 75 kW für einen 3000-Liter-Mischer, was den Stromverbrauch begrenzt. Weitere Vorteile sind:
- kein Ansteigen der Produkttemperatur während des Mischvorgangs
- kurze Mischzeiten von 20 – 30 Minuten möglich, unabhängig von der Komplexität der Rezeptur
- einfache Produktprobenahme über ein spezielles Inspektionspanel
Neben dem Pflugscharmischer WBH liefert MAP auch den Bandwendelmischer WBN für die Nachmischung sowie spezielle Bunkeraktivatoren und Absperrklappen, die speziell für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien entwickelt wurden.
Lösungsorientiertes und parternschaftliches Vorgehen
Mit über 900 gelieferten Mischern für den Lithium-Ionen-Batteriemarkt hat MAP einen umfassenden Einblick in die Anforderungen an Mischer in der Batterieproduktion erhalten. Diese Erfahrungen fließen stetig in die Verbesserung der Mischer ein. „Wir liefern nicht nur eine Mischmaschine“, sagt Neviani. „Wir bieten dem Kunden eine Lösung. Bevor wir ein Angebot abgeben, analysieren wir gemeinsam mit dem Kunden die Anforderungen und suchen nach der am besten geeigneten Technologie. Lassen sich einige Anforderungen mit bestehenden Optionen nicht erfüllen, entwickeln wir gezielt weitere Lösungen.“ Dabei versteht sich MAP nicht nur als reiner Hersteller, wie Neviani erklärt: „Es gibt viele Unternehmen, die Mischer herstellen, aber wir bieten unseren Kunden eine Partnerschaft an, um gemeinsam ein optimales Ergebnis zu erzielen. So haben wir beispielsweise zahlreiche Optionen entwickelt, die für diverse Anwendungen geeignet sind und sie für unterschiedliche Markt- und Produktanforderungen spezialisiert. Demzufolge können wir in Bezug auf Produkt, Rezeptur und Verfahren auf die spezifischen Bedürfnisse des Kunden eingehen.“
Auf unterschiedlichsten Bedarf eingestellt
Die Fähigkeit, Lösungen gemäß der jeweiligen Anwendung zu spezialisieren, ist auf dem Batteriemarkt besonders wertvoll, da eine Reihe von Rohstoffen und Verfahren zum Einsatz kommen. MAP ist seit Jahren führend in der Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet und arbeitet nicht nur mit namhaften Kunden, sondern auch mit Universitäten und privaten Forschungsinstituten im Verbund mit dem unternehmenseigenen, globalen Netzwerk von 10 Testlabors zusammen.
„Der Sektor entwickelt sich ständig weiter. Daher ist es für uns von großem Vorteil, bereits in einem sehr frühen Stadium in F&E-Bemühungen eingebunden zu werden. Wir ruhen uns auch nicht aus, sondern arbeiten kontinuierlich an der nächsten Generation der Kathodenpulver-Produktionstechnologie mit besonderem Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit“, so Neviani.
Beispiele für die Zusammenarbeit umfassen das Angebot an Beschichtungs- und Auskleidungstechnologien des Unternehmens. Je nach Prozess und Produkt stehen eine Vielzahl von Basismaterialien und Auftragsmethoden zur Verfügung. „Die Entwicklung erforderte viel harte Arbeit und Bescheidenheit“, schließt Neviani. „Die Fehler, die wir im Laufe der Jahre gemacht haben, haben uns geholfen, dorthin zu gelangen, wo wir jetzt stehen. Mit unserem Wissen sind wir heute in der Lage, eine große Anzahl erfolgreicher Projekte zu realisieren.“
Separate Produktionslinie
Angesichts der so optimistischen Prognosen für die Batterienachfrage in allen Regionen der Welt hat MAP bereits die Voraussetzungen geschaffen, um den wachsenden Markt für Mischer beliefern zu können. „Wir haben eine separate Produktionslinie eingerichtet, um sicherzustellen, dass wir schnell auf Marktanforderungen reagieren können“, sagt Neviani. „Mit dieser Linie sind wir in der Lage, eine hohe Produktqualität in allen Fertigungsschritten sowie in allen angewandten Prozessen und Methoden sicherzustellen.“
Neue Herausforderungen wird es natürlich geben, aber dank seines enormen Erfahrungsschatzes, seines technischen Know-hows und seines Engagements für Partnerschaften mit Kunden und anderen Branchenakteuren ist Neviani davon überzeugt, „dass wir für die Zukunft gut aufgestellt sind“.
Über die WAMGroup
Die italienische WAMGROUP ist weltweit führend in der Entwicklung und Herstellung von schüttguttechnischen Maschinen und Anlagenkomponenten. In Deutschland ist man seit 1986 mit einem eigenen Tochterunternehmen, der WAM GmbH, vertreten, die den Vertrieb des WAMGROUP-Lieferprogramms in Deutschland und Österreich übernimmt.
Die Produkte im Bereich Mischtechnik hingegen warden von der WAMGROUP-Tochter MAP GmbH vertrieben. Diese ist ein Global Player in der Mischtechnik. Neben der Herstellung von Horizontal-Einwellenmischern bietet die WAMGROUP-Tochter in ihrem Lieferprogramm auch Bandwendelmischer, Doppelwellenmischer, Staubbefeuchtungsmischer und Labormischer an.
Kontakt
WAM GmbH
Dornierstraße 10
68804 Altlußheim
Tel.: +49 (0) 6205 39 49-0
Fax: +49 (0) 6205 39 4949
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