Tekst & Fotografie: Hosokawa Micron
Geavanceerde droog-, maal-, en classificatie-apparatuur kan helpen om li-ion batterijen kleiner, compacter en energiedichter te maken. De apparaten kunnen de metaal- en andere poeders die in de batterijen verwerkt worden, energiezuinig malen en drogen, ultrafijn malen voor een optimale deeltjesgrootteverdeling, afronden voor betere stromingseigenschappen en high-shear mengen en coaten voor een betere geleidbaarheid.
Tekst & Fotografie: Hosokawa Micron
In batterijen voor consumentenelektronica en accu’s voor elektrische auto’s worden poeders verwerkt, waaronder nikkel, mangaan, kobaltoxiden, grafiet en silicium. Hosokawa Micron levert technologie voor het drogen, malen en classificeren van dit soort poeders, maar ook voor het afronden, ultrafijn malen, mengen, coaten en containment.
Dion Smink, procestechnoloog bij Hosokawa Micron, legt uit waar in het batterijproductieproces de Hosokawa apparatuur ingezet kan worden. “De eerste stap waar onze machines gebruikt kunnen worden, is het drogen en malen van de precursors voor de kathode, zoals nikkel, mangaan en kobaltoxiden. Onze DMR flashdroger is ideaal voor het continudrogen van het actieve materiaal. De droger kan een eindvochtgehalte van minder dan 1% bereiken en kan, in tegenstelling tot andere drogers, zowel slurries als filtercakes aan.”
Een classifier aan de bovenkant van de droger zorgt ervoor dat alleen de deeltjes met het juiste vochtgehalte naar het luchtfilter gaan. De rotor in de droogkamer breekt de grotere deeltjes tot kleinere deeltjes. “Dit vergroot het oppervlak van de agglomeraten, waardoor de vloeistof makkelijker verdampt en het drogen efficiënter verloopt. Zo besparen fabrikanten tijd en energie. En de kleine voetafdruk van de droger bespaart ruimte in hun fabrieken”, voegt hij eraan toe.
“Een continu droogproces is vaak de beste oplossing voor de meeste batterijfabrikanten”, vervolgt Sminks collega, senior application engineer Allet Krug-Polman. “Maar als het vochtgehalte nog verder omlaag moet, dus minder parts per million, of als de vereiste capaciteit klein is, kan een batchdroger, zoals onze Nauta vacuümdroger, uitkomst bieden. En in het geval van lastige, vluchtige stoffen kan onze conische paddeldroger (CPD) temperaturen tot 325 °C combineren met volledig vacuüm om extreem lage PPM-niveaus te bereiken.”
“Onze flashdroger kan een eindvochtgehalte van minder dan 1% bereiken”Dion Smink, Hosokawa Micron
Voor optimale prestaties moeten de actieve materialen in batterijen en accu’s een goed gedefinieerde deeltjesgrootteverdeling en kleine deeltjes hebben, legt Smink uit. “Ultrafijn malen van de actieve poeders creëert een kleiner deeltje met een groter oppervlak, waardoor het toegankelijker wordt voor de ‘magie’ die in een batterij gebeurt. Het resultaat is meer bruikbare capaciteit, een snellere laadtijd en een langere levensduur.”
Via de zusterbedrijven in Duitsland en de VS kan Hosokawa Micron verschillende soorten molens leveren. De meest voorkomende maaloplossingen voor de batterij-industrie zijn de Air Classifying Mill (ACM) en de Fluidized Bed Jet Mill (AFG), die beide een extreem fijne en smalle deeltjesgrootteverdeling kunnen bereiken. Naast het verwerken van kathodematerialen zoals lithium-kobaltoxide of precursors op basis van mangaan, kunnen de molens ook worden gebruikt voor anodematerialen (grafiet en silicium).
“Al onze molens kunnen bovendien worden voorzien van keramische slijtagebescherming”, zegt Smink. “Dit zorgt voor minder vervuiling tijdens het maalproces en garandeert zo de hoogste productzuiverheid, wat de prestaties van de batterijen weer ten goede komt.”
Daarnaast biedt Hosokawa apparatuur voor het afronden van grafiet. “Grafiet heeft een van nature schilferige structuur en een lage bulkdichtheid, die beide de capaciteit van een batterij verminderen”, zegt Krug-Polman.
“Door het grafiet af te ronden, verhoog je de bulkdichtheid en ‘bevochtigbaarheid’, waardoor je meer materiaal in hetzelfde volume kunt pakken voor nog betere batterijprestaties. Natuurlijk grafiet is in beginsel goedkoper, maar synthetisch grafiet is al bolvormig, dus het kost minder energie om het af te ronden tijdens het maalproces, wat uiteindelijk tijd en kosten bespaart.”
“Als je de deeltjesgrootte in de precursors verkleint om een groter oppervlak te creëren, verminder je ook de stromingseigenschappen van het materiaal. Dat gaat ‘plakken’”, zegt Krug-Polman. “Om die hele fijne deeltjes dus toch goed te mengen, adviseren wij de meeste accufabrikanten om onze hoog-intensieve – of ‘high-shear’ – Nobilta of Cyclomix menger te gebruiken voor batchmengen, of de Modulomix voor continumengen. Die mengen niet alleen tot een mooi homogeen mengsel, maar zorgen ook voor een sterke coating van bijvoorbeeld carbon black en bindmiddelen rond de precursors om de geleidbaarheid verder te verbeteren.”
Voor nog betere batterijprestaties is er de ultra-high-shear Mechanofusion menger. Deze fixeert de coatingdeeltjes daadwerkelijk in het gastheerdeeltje door middel van mechanische fusie. “Meer afschuiving – oftewel ‘shear’ – is altijd een afweging”, zegt Smink. “Het is niet voor elk product geschikt. Het vermindert het volume dat kan worden verwerkt en het verhoogt het energieverbruik. Het is dus een kwestie van het optimale shear-niveau vinden, afhankelijk van de eisen van elke klant. Maar we hebben altijd wel een menger die aan de behoeften van de klant voldoet.”
Het vinden van de juiste oplossing kan een kwestie van uitproberen zijn. “Daarom hanteren we een ‘try before you buy’-aanpak”, vult Smink aan. “In onze proeffabriek kunnen we testen uitvoeren voor klanten. En als dat door de producten of hoeveelheden niet mogelijk is, kunnen we dummymaterialen testen of kunnen klanten onze apparatuur in hun eigen omgeving uitproberen.”
“Door het grafiet af te ronden, verhoog je de bulkdichtheid en ‘bevochtigbaarheid’, waardoor je meer materiaal in hetzelfde volume kunt pakken”Allet Krug-Polman, Hosokawa Micron
“Al onze apparatuur is uiteraard gecertificeerd volgens de Europese normen, waaronder ATEX en CE”, zegt Krug-Polman. “Afhankelijk van de producten en het vereiste OEB-niveau, kan een downflowcabine toegevoegd worden om de operator te beschermen. Andere opties zijn het werken met drums die op een dichte menger worden geplaatst, waarbij het product door middel van vlinderkleppen veilig in de menger wordt gebracht. Dit is ook relevant voor solid-state batterijen, die moeten worden geproduceerd in extreem droge luchtomstandigheden. Wannneer OEB-niveau 5 nodig is, kan een isolator de oplossing zijn.”
Voor onderzoeksdoeleinden levert Hosokawa alle genoemde technologieën ook op lab-schaal. Smink: “Er wordt momenteel veel R&D-werk verricht, vooral op het gebied van solid-state batterijen. De onderliggende principes zijn grotendeels hetzelfde, dus hetzelfde type apparatuur kan worden gebruikt. We helpen klanten dus bij het doorontwikkelen van hun producten. We hebben al heel wat machines geleverd aan batterijproducenten in Zuidoost-Azië en dichter bij huis. We zien een stijgende vraag in Europa”, besluit Krug Polman. ●
Hosokawa Micron Group demonstreert deze apparatuur op Solids Rotterdam, 6-7 oktober 2021, standnr. B104
