S&Ls umfassender Leitfaden für Trockner und Mischer für Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien

In unserem vorherigen Artikel haben wir uns mit den Anlagen zur Herstellung von Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien befasst. Heute konzentrieren wir uns auf die wesentlichen Anlagen zur Produktion von Kathodenmaterialien, einer entscheidenden Komponente von Lithium-Ionen-Batterien, die Elektrofahrzeuge antreiben.

Kathodenmaterialien: Das Herzstück von Lithium-Ionen-Batterien

Kathodenmaterialien spielen eine zentrale Rolle in Lithium-Ionen-Batterien und bilden den Kern der Energiequelle für Elektrofahrzeuge. Es gibt hauptsächlich drei Arten von Kathodenmaterialien: Lithium-Eisenphosphat (LFP), Lithium-Manganat (LMO) und ternäre Lithiumbatterien.

LFP als Kathodenmaterial bietet zahlreiche Vorteile wie eine lange Lebensdauer, hohe Sicherheit und vergleichsweise niedrige Herstellungskosten. Allerdings weist es eine geringere Energiedichte auf. Ternäre Lithiumbatterien hingegen bestehen aus einem bestimmten Anteil Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA) oder Nickel-Kobalt-Mangan (NCM). Dank ihrer hohen Energiedichte sind sie die bevorzugte Wahl für die meisten Elektrofahrzeuge; rund 60 % aller Autos sind damit ausgestattet. Ende 2018 erreichte die Energiedichte chinesischer monolithischer Zellen 265 Wh/kg. 2019 brachte CATL die ternären Lithiumbatterien 811 auf den Markt, die eine beeindruckende Energiedichte von bis zu 304 Wh/kg erzielten. Diese hohe Energiedichte ermöglicht es gängigen Elektrofahrzeugen, Reichweiten von über 400 km zu erreichen, einige Modelle sogar bis zu 500 km. Dadurch wird die Reichweitenangst von Elektrofahrzeugnutzern effektiv gemildert.

Die Kathodenmaterial-Industriekette

Die vorgelagerte Phase der Wertschöpfungskette für Kathodenmaterialien umfasst mineralische Rohstoffe wie Lithium, Kobalt und Nickel sowie weitere verwandte Mineralien. Diese Rohstoffe werden mit Leitfähigkeitsmitteln und Bindemitteln zu Vorprodukten kombiniert. Durch ein spezifisches Syntheseverfahren werden diese Vorprodukte in Kathodenmaterialien für verschiedene Anwendungen umgewandelt. Das folgende detaillierte Strukturdiagramm veranschaulicht die gesamte Wertschöpfungskette für Kathodenmaterialien.

Allgemeine Zubereitungsmethoden

Festphasensynthese

Dieses Verfahren beinhaltet typischerweise das Vermahlen und Mischen von Lithiumsalzen wie Lithiumcarbonat mit Kobalt- oder Nickelverbindungen. Anschließend wird die Mischung gesintert. Obwohl es relativ einfach ist und die Rohstoffe leicht verfügbar sind, was es in der frühen Entwicklungsphase von Lithiumbatterien populär machte, weist es gewisse Einschränkungen auf. Dazu gehören begrenzte Kapazität, mangelnde Mischhomogenität und Stabilität sowie schwankende Qualität zwischen verschiedenen Chargen.

Komplexe Methode

Bei diesem Verfahren werden organische Komplexe zur Herstellung komplexer Vorstufen mit Lithium-, Kobalt- oder Vanadiumionen eingesetzt, gefolgt von Sinterreaktionen. Die Vorteile dieser Methode sind eine bessere Durchmischung, erhöhte Homogenität und Stabilität sowie eine höhere Kapazität im Vergleich zur Festphasenmethode.

Sol-Gel-Verfahren

Das Sol-Gel-Verfahren, das auf der in den 1970er Jahren entwickelten Methode zur Herstellung ultrafeiner Partikel basiert, dient der Produktion von Kathodenmaterialien. Neben den Vorteilen des komplexen Verfahrens verbessert es die Kapazität der hergestellten Elektrodenmaterialien signifikant. Daher hat es sich sowohl national als auch international rasant weiterentwickelt.

Ionenaustauschverfahren

Das mittels Ionenaustausch hergestellte LiMnO₂ weist eine reversible Entladekapazität von 270 mAh/g auf und rückt aufgrund seiner stabilen Elektrodenleistung und hohen Kapazität in den Fokus neuer Forschungsinteressen. Die praktische Anwendung gestaltet sich jedoch derzeit aufgrund zeit- und energieintensiver Schritte wie Rekristallisation und Verdampfung schwierig.

Produktionsprozess

Das folgende Diagramm veranschaulicht einen typischen Produktionsprozess für Kathodenmaterialien. S&L spielt dabei eine entscheidende Rolle, indem das Unternehmen Mischanlagen für die Phase vor dem ersten Sintern, verschiedene Chargenmischer für das Endprodukt und sogar Pflugpaddeltrockner für die Herstellung von hochnickelhaltigen Kathodenmaterialien bereitstellt.

Geräteauswahl

Pflugmischer -LDH-Serie

Der Pflugmischer ist unverzichtbar zum Mischen von Lithiumbatteriematerialien, insbesondere ternären Vorläufern. Er besteht aus einem zylindrischen Gehäuse, einem Pflugrührwerk, einer Zerkleinerungseinheit, einem Antriebssystem und einem Auslassventil. Mithilfe von Hochgeschwindigkeitszerkleinerern, die Klumpen aufbrechen, erfährt das Material während des Hochgeschwindigkeitsmischens eine zentrifugale Konvektionsbewegung, wodurch in kurzer Zeit eine hervorragende Mischhomogenität erreicht wird.

Vorteile:

Hohe Effizienz: Kurze Mischzeiten gewährleisten erhöhte Produktivität.

Pflegeleicht: Bequem zu reinigen und instand zu halten.

Spezielle Ausführung: Hochgeschwindigkeits-Chopper, speziell zugeschnitten auf Lithiumbatterie-Anwendungen.

Isolation: Verschleißfeste Keramikpflüge oder Wolframcarbidbeschichtung zur Trennung von Lithiumbatteriematerialien von Metallionen.

Langlebigkeit: Verschleißfestes Gefäß mit einer Keramikauskleidung im Inneren des Mischerkörpers zur zusätzlichen Isolierung.

Abdichtung: Spezielle Dichtungen für die Hauptwelle und die Chopper, die speziell für die Lithiumbatterieindustrie entwickelt wurden.

Individualisierung: Für die Lithiumbatterieindustrie sind kundenspezifische Auslassventiloptionen erhältlich.

Pflugpaddeltrockner-LPH-Serie

Der Trocknungsprozess ist für die Herstellung von Nickelprodukten mit hohem Nickelgehalt entscheidend. Durch die Ergänzung des ursprünglichen Pflugmischers um einen Heizmantel, eine Vakuumanlage und einen Staubfilter wird eine Konvektionsmischung des feuchten Materials entlang der Zylinderwand erreicht, wodurch eine gleichmäßige Erwärmung innerhalb eines bestimmten Zeitraums gewährleistet wird. Der Mischerkörper besteht aus verschleißfestem und korrosionsbeständigem Titan und garantiert so die Produktqualität. Optional kann er mit einem ausgereiften Rückblasfilter ausgestattet werden.

Bandmischer – WLDH-Serie

Der horizontale Bandmischer wird häufig eingesetzt, um Chargenmischunterschiede im Endprodukt zu minimieren. Er besteht aus einem speziellen U-förmigen Gehäuse, Bandmischelementen, einem Antriebssystem und einem Auslassventil. Das äußere Band schiebt das Material von den beiden Enden zur Mitte, während das innere Band das Material von der Mitte zu den beiden Enden transportiert. Dadurch entsteht eine Konvektionsbewegung, die eine perfekte Mischhomogenität gewährleistet.

Vorteile:

Schonendes Mischen: Sanftes Mischen, um eine Beschädigung der physikalischen Eigenschaften des Materials zu vermeiden.

Strukturelle Optionen: Mehrere Optionen für die Mischkörperstruktur, darunter U-förmige, tropfenförmige und zylindrische Formen.

Ionenisolation: Doppelte Bänder mit Wolframcarbid-Beschichtung zur Isolation von Lithiumbatteriematerialien von Metallionen.

Leckageverhinderung: Spezielle Hauptwellenabdichtung zur Verhinderung von Materialaustritt.

Anwendungsfälle

Seit 2018 arbeitet die S&L Group eng mit SHANSHAN Technology zusammen und liefert kontinuierlich Anlagen für Anoden- und Kathodenmaterialien, darunter den GBF-Reaktor, den horizontalen Bandmischer WLDH und den Pflugmischer LDH. Im Rahmen dieser Partnerschaft hat S&L umfassende Mischlösungen für Lithiumbatteriekathoden entwickelt, wie beispielsweise die Keramikauskleidung des Mischerkörpers, die Wolframcarbid-Beschichtung des Rührwerks, die Gleitringdichtung der Hauptwelle und die Entwicklung professioneller Antriebssysteme.

Blick in die Zukunft

Nachdem S&L jahrelang Branchenführer wie Umicore, LG, SK, Ronbay, Shanshan, Changyuan LICO und andere in der Lithiumbatterieindustrie mit hochwertigen und effizienten Mischanlagen beliefert hat, konnte das Unternehmen zahlreiche Herausforderungen erfolgreich meistern. Dadurch erwarb S&L fundierte Kenntnisse der Kerntechnologie und der Materialeigenschaften, die für die Herstellung von Lithiumbatterie-Rohstoffen relevant sind, und positionierte sich so für anhaltenden Erfolg im dynamischen Lithiumbatteriemarkt.