Know-how in der Graphitrundung für Lithium-Ionen-Batterien

Die Industrie steht aktuell vor einer großen Herausforderung: Bei der Zellherstellung muss der Graphit als Rohstoff effektiver genutzt werden. Die Lösung dafür ist die Rundung der normalerweise plättchenförmigen Graphitpartikel. Die Rundung bringt zahlreiche Vorteile mit sich. Zum einen erhöht sie die Stampfdichte und sorgt damit für eine höhere volumetrische Energiedichte der Batterieanode. Zum anderen wird durch die verbesserte Interkalationskinetik die Ladefähigkeit und damit auch die Schnellladefähigkeit erhöht. Außerdem wird die Batterie langlebiger.

„Die bestehenden Prozesse zur Rundung von Graphit sind sehr energieintensiv und haben zudem häufig noch geringe Ausbeuten von 30 bis 50 %. Damit geht bei der derzeitigen Herstellung von gerundetem Graphit ein großer Teil des eingesetzten Graphits für die Nutzung in Lithium-Ionen-Batterien während der Verarbeitung verloren. Um den Prozess zur Graphitrundung effizienter zu machen, haben wir nun einen neuen Prozess entwickelt, der weniger Maschinen als bisher erforderlich macht. Das spart nicht nur Platz, sondern auch Aufwand für Wartung und Instandhaltung sowie Energie“, erklärt Paul Woodward, Operations Director Minerals & Metals Divison bei Hosokawa Alpine. Da Naturgraphit und synthetischer Graphit materialseitig unterschiedliche Anforderungen an die Graphitrundung stellen, bietet Hosokawa Alpine Maschinenlösungen für vielseitige Aufgabenstellungen.

Naturgraphit ist plättchenförmig und benötigt bei der Rundung meist mehr Energie und eine höhere Beanspruchungsintensität als synthetischer Graphit, der meist nach der Mahlung schon deutlich sphärischer vorliegt. Für die Rundung von Naturgraphit hat Hosokawa Alpine daher eine spezielle Maschine entwickelt: den APR (Alpine Particle Rounder).

„Hier wird der Graphit auf einer Sichtermühle vorvermahlen. Im Anschluss erfolgt die batchweise Rundung mit nachgeschalteter Entstaubung durch eine hocheffiziente Sichtung. Auf diese Weise konnten wir die Stampfdichte auf über 900 g/l erhöhen und bis zu 80 Prozent des Rohstoffes nutzbar machen“, erklärt Paul Woodward. Der APR punktet zudem durch kurze Prozesszeiten und hohe Durchsätze bei gleichzeitig geringem spezifischen Energieverbrauch.So lassen sich mit dem APR enorme Energieeinsparungen im Bereich von 50 % im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren mit einer Sichtermühle erzielen. Variable Zielfeinheiten von x50 = 10 – 12 µm bis zu x50 = 18–22 µm sind mit dem APR problemlos möglich.

Für die Rundung von synthetischem Graphit hat Hosokawa Alpine die Sichtermühle Zirkoplex ZPS im Portfolio. Flexible Feinstvermahlung und Sichten werden mit nur einer druckstoßfesten Maschine umgesetzt. Der Graphit wird zunächst mit dem energiesparend designten Mahlwerk auf der Sichtermühle vorvermahlen. Anschließend erfolgen Rundung und Sichtung batchweise.

Auch die ZPS ermöglicht eine Erhöhung der Stampfdichte auf deutlich über 1000 g/l für mehr Speicherkapazität sowie hohe Durchsätze und Prozessausbeuten von bis zu 90 Prozent Nutzbarkeit des Graphits bei niedrigem spezifischen Energieverbrauch. Somit komplettiert sie die Lösungen für eine effiziente und zeitgemäße Graphitrundung aus dem Hause Hosokawa Alpine.

In der Kathode finden Materialien wie Nickel, Mangan oder Kobaltoxid Anwendung, müssen vor der Verarbeitung aber noch aufbereitet werden. Die Schlämme und Filterkuchen müssen vor der Vermahlung in einem kontinuierlichen Prozess getrocknet werden. Für beide Produkte bietet Hosokawa Micron BV, der niederländische Partner von Hosokawa Alpine die passenden Maschinen an. Der DMR Flash Trockner ermöglicht eine kontinuierliche Trocknung des aktiven Materials und erreicht Endfeuchten von unter einem Prozent. Für noch niedrigere Feuchtigkeitsgehalte sind Chargentrockner wie der Nauta-Vakuumtrockner die geeignete Lösung. Falls schwierige flüchtige Stoffe verarbeitet werden, kann der konische Schaufeltrockner CPD Temperaturen von bis zu 325°C mit vollem Vakuum kombinieren, um extrem niedrige PPM-Werte zu erreichen.

Durch die ultrafeine Vermahlung der aktiven Pulver entstehen im nächsten Schritt kleinere Partikel mit größerer Oberfläche. Dies sorgt für eine optimale Batterieleistung: Ladezeiten, Kapazität und Lebensdauer werden verbessert. „Die gebräuchlichsten Mühlenlösungen für die Batterieindustrie sind die spezielle Prall-Luft-Sichtermühle ACM und die Fließbett-Gegenstrahlmühle AFG, die beide eine extrem feine und enge Partikelgrößenverteilung erreichen können. Die Mühlen können nicht nur für Kathodenmaterialien wie Lithium-Kobalt-Oxid oder Vorstufen auf Manganbasis eingesetzt werden, sondern auch für Anodenmaterialien wie Graphit und Silizium“, erklärt Alexander Krauser, Operations Director Chemical Division bei Hosokawa Alpine. Die Sichtermühle ACM ist in einer Spezial-Ausführung mit Keramik gegen den Verschleiß geschützt und gewährleistet eine hohe Reinheit des Produktes. Kontaminationsfreies, kühles Mahlen und Sichten sind ebenso in einer Maschine möglich, wie bei der Fließbett-Gegenstrahlmühle AFG. Mit ihr lassen sich Pulver mit steiler Kornverteilung und scharfer Oberkornbegrenzung im ultrafeinen Bereich herstellen. Auch für die Graphitrundung, bei der die Produkteigenschaften der Batterieanode verbessert werden, hat Hosokawa Alpine Maschinen entwickelt. Mit der Sichtermühle Zirkoplex ZPS für sythetische Graphit und dem Alpine Particle Rounder APR für Naturgraphit wird die Stampfdichte bei hohem Durchsatz erhöht. Dies sorgt für verbesserte Lebensdauer, Schnelladefähigkeit und Leitfähigkeit der Batterien.

Bei der abschließenden Coatierung der Elektrodenmaterialien werden Mischer mit hoher Scherkraft eingesetzt. Sie sorgen nicht nur für eine homogene Mischung der Materialien, sondern auch für optimale Coatierung mit Carbon Black und Bindemitteln, sodass sich die Leitfähigkeit der Batterie weiter verbessert. Geeignete Maschinen sind der Intensiv-Paddelmischer Cyclomix, der modulare Paddelmischer Modulomix oder der konische Schneckenmischer Nauta von Hosokawa Micron BV.

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