المرونة العالية في أبحاث السيراميكيات لإنتاج مواد مبتكرة للبطاريات
03 May 2021
تم تسليم MOBILE MINOR® في عام 2015 لأنشطة البحث والتطوير في KIT. المصدر: ماركوس بريج، KIT.
تجري مؤسسة تطبيق المواد - أنظمة تخزين الطاقة (IAM-ESS) في معهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT) بحثًا يفحص إنتاج مواد جديدة لتخزين الطاقة، مثل بطاريات أيون الليثيوم (LIBs) وأنظمة ما بعد الليثيوم. أحد مجالات الاهتمام الرئيسية يتمثل في اكتساب فهم أفضل لكيمياء المواد وتصميمها، وتطوير معالجات السيراميك التي ستُمكِن من إنشاء مكونات وأنظمة معتمدة للمستقبل.
على سبيل المثال، ركزت إحدى دراسات IAM الأخيرة على الجوانب الهيكلية لتشكيل وتدهور الجهد لأكاسيد الطبقات الغنية بالليثيوم والمنغنيز. نتائج عملهم، المصنفة ضمن أفضل 50 منشورًا في الكيمياء وعلوم المواد، المنشورة في Nature Communications 2019 بحثت بشكل منهجي في اضمحلال الجهد لمركبات إدخال الليثيوم الغنية بالمنغنيز واعتمادها الهيكلي والتركيبي.
حتى قبل انضمام الدكتور بيندر - الذي يشغل الآن منصب رئيس المجموعة البحثية: التركيب وتكنولوجيا مسحوق السيراميك - إلى KIT (Forschungszentrum Karlsruhe سابقًا) في عام 1994، كان المعهد يستخدم جهازي MOBILE MINOR®، أحدهما لا يزال نشطًا في مجالات بحث مختلفة. قبل بضع سنوات، أضافوا وحدة أخرى، ومؤخرًا طلب فريقهم وحدتين جديدتين من طراز MOBILE MINOR®، واحدة منها - Jubilee MOBILE MINOR® - تمثل بيع GEA رقم 2500 لعملاء تطبيقات البحث والتطوير.
ستسمح لنا الأنظمة الجديدة في المنشأة التجريبية للتركيب الخاصة بـ HEMF أن ننقل استراتيجيات التركيب لمواد البطاريات الواعدة من المختبر إلى نطاق المنشأة التجريبية من أجل تصنيع وتحليل خلايا البطاريات كبيرة الحجم من هذه المواد الجديدة." - الدكتور يواكيم ر. بيندر، رئيس المجموعة البحثية: التركيب وتكنولوجيا مسحوق السيراميك في IAM-ESS في KIT
- الدكتور يواكيم ر. بيندر، رئيس المجموعة البحثية: التركيب وتكنولوجيا مسحوق السيراميك في IAM-ESS في KIT
دعم أبحاث مواد البطاريات لـ HEMF في KIT
Helmholtz Energy Materials Foundry (مسبك هيلمهولتز لمواد الطاقة) (HEMF) عبارة عن منصة بحث وتطوير تعاونية واسعة النطاق مخصصة لتركيب مواد جديدة ومحسنة لتطبيقات تحويل الطاقة وتخزينها. في KIT، يتم إنشاء منشأة تجريبية للتركيب من أجل مواد البطاريات كجزء من مشروع HEMF، بحيث يمكن الآن إجراء أبحاث البطاريات على طول سلسلة القيمة بأكملها في مركز Battery Technology Center (مركز تكنولوجيا البطاريات) التابع لـ KIT.
تكفي كتل عينات في حدود بضعة جرامات لتقييم مواد البطاريات الجديدة أو المحسّنة فيما يتعلق بالاستخدام المحتمل في بطارية ليثيوم أيون؛ ولكن، إذا أظهرت المادة خصائص كهروكيميائية واعدة، فيجب التحقق من صحة أدائها بأحجام أكبر. من أجل تصنيع بطارية خلايا ليثيوم أيون كبيرة الحجم، يلزم وجود كميات أكبر من مواد البطاريات (تصل إلى 10 كجم)، وفي KIT، تم إنشاء منشأة لتركيب متوسط الحجم حيث تم استخدام اثنين من أجهزة MOBILE MINOR® لإنتاج المواد المطلوبة للبطارية. تقوم بالمهام التالية:
- التحويل من التركيب المختبري على نطاق ضيق إلى معالجات قابلة للتوسع
- تجهيز عدة مواد لإنتاج خلايا بطارية أيون الليثيوم كبيرة الحجم
- إنتاج بعض المواد المختارة من أجل تصنيع أنظمة البطاريات
تتمثل المتطلبات الرئيسية للمنشأة في الحفاظ على جودة المسحوق أثناء التوسع وضمان قابلية إعادة الإنتاج. تتيح منشأة التركيب متوسط الحجم معالجة موثوقة لتركيب المواد ودرجة عالية من المرونة أثناء تحسين المواد والمعالجة. حاليًا، يعمل اثنا عشر عضوًا متحمسًا في IAM-ESS ضمن قسم التركيب وتكنولوجيا مسحوق السيراميك من أجل تقديم اختراقات علمية موجهة للتطبيق.
لدعم هذا العمل المهم، زودت GEA فريق السيراميكيات بالعديد من أجهزة MOBILE MINOR®، وهي تقنية تجفيف راسخة ومعيارية مثالية لتطبيقات البحث والتطوير.
قال الدكتور بيندر: "ستسمح لنا الأنظمة الجديدة في المنشأة التجريبية للتركيب الخاصة بـ HEMF أن ننقل استراتيجيات التركيب لمواد البطاريات الواعدة من المختبر إلى نطاق المنشأة التجريبية من أجل تصنيع وتحليل خلايا البطاريات كبيرة الحجم من هذه المواد الجديدة." بالإضافة إلى وحدات التجفيف بالرذاذ المرنة ذات النطاق التجريبي، يستخدم القسم أيضًا خطوات عملية أخرى، مثل الطحن أو الترسيب أو التكليس. وفي المستقبل القريب، سيتم أيضًا تنفيذ إنتاج الإلكترود الكامل في مركز Battery Technology Center التابع لـ KIT.
إلى جانب البحث عن توليف مواد إلكترود جديدة، يبحث العلماء في المواد الفيروكهربائية لتطبيقات الميكروويف من أجل استخدامها في أنظمة الاتصالات والمعلومات الحديثة وكذلك في مجال الإلكترونيات المطبوعة. عادة، يتم استخدام وحدة واحدة من أجل التجفيف بالرذاذ للمواد الفيروكهربائية والتيتانات باريوم سترونتيوم (BST)، بينما يتم استخدام الوحدات الأخرى لمواد أيون الليثيوم أو أيون النتريوم. استنادًا إلى تقليد طويل من الاستخدام الناجح لمعدات التجفيف بالرذاذ من GEA، كانت المرونة الإضافية لجهازي MOBILE MINOR® الجديدين بمثابة تغيير لقواعد اللعبة. إذا تطلب مشروع HEMF إنتاجية عالية السعة، فيمكن استخدام النوعين الجديدين بالتوازي.
كان التحدي الأكبر في هذا المشروع هو التقييم، جنبًا إلى جنب مع فريق KIT، لإيجابيات وسلبيات حلول GEA المختلفة لأنشطة البحث والتطوير." - غونتر فيليب، مدير المبيعات في GEA
- غونتر فيليب، مدير المبيعات في GEA
علق غوتنر فيليب: "في النهاية، مع هذا، فازت المرونة المشتركة للنظامين المستقلين بالسباق وسمحا لنا أخيرًا بتوفير جهاز ـJubilee MOBILE MINOR® 2500 لأنشطة البحث والتطوير!" يُعد المجفف بالرذاذ MM-100 من GEA، المزود بتصميم Cyclone CEE (الكفاءة الإضافية للإعصار الحلزوني) الجديد وعالي الكفاءة، أحدث إضافة إلى مجموعة منتجات MOBILE MINOR®، من خلال تقديم تصميم مُحسَّن مع الحفاظ على نفس البصمة المدمجة.
يوفر Cyclone CEE المطور حديثًا كفاءة فصل أعلى، الأمر الذي يزيد من العائد المتاح ويقلل من الانبعاثات. تم تركيب المجفف بالرذاذ MOBILE MINOR® في ما يقرب من 2400 منشأةً حول العالم، وهو قوي وموثوق ومتعدد الاستخدامات. مثالي لتطبيقات توسيع نطاق المعالجة، كما أنه سهل الاستخدام والتنظيف والتحريك. يمكن بسهولة استبدال موزع الغاز العام للمرذاذ الدوار وكذلك فوهة السائلين بموزع الغاز الاختياري منخفض السرعة - والذي يمتلك نمط تدفق مماثل لموزعات الغاز DPH المستخدمة في المجففات الرذاذية الأكبر - لرش الفوهة.
بحكم طبيعتها، التجفيف بالرذاذ هي معالجة مستمرة ومصممة لتوفير كلًا من الإنتاجية العالية وجودة المنتجات الموحدة. التجفيف بالرذاذ هي تقنية مفضلة لدى عدد متزايد من شركات إنتاج المواد الكيميائية والصيدلانية من أجل إنتاج مواد ومساحيق وحتى أدوية على نحو أفضل. توفر تقنية التجفيف فائقة السرعة وسهلة التنفيذ هذه وسائل فريدة لتحديد خصائص الجسيمات.
تقدم GEA مجموعة من المجففات بالرذاذ المصممة على نحو خاص لأغراض البحث والتطوير، وتطوير المنتجات وتناسب إنتاج أحجام صغيرة. يستخدم MOBILE MINOR® سهل التشغيل عجلة مرذاذ لتوزيع الجسيمات بينما، بالنسبة للتركيبات الأكبر، يتم استخدام فوهة Combi-Nozzle من GEA الحاصلة على براءة اختراع لخلق جودة منتجات عالية وموحدة باستمرار. يمكن التعامل مع طلاءات السيراميك أو التي تحتوي على النيكل أو الكربون من خلال هذا الإعداد.
مهما كان النشاط، يجب أن يكون تكوين المواد المختلفة وحجم جزيئات المسحوق المرشوش دقيقًا وقابلاً للتكرار، مما يتيح للباحثين مقارنة وتقييم المواد المختلفة. أضاف الدكتور بيندر: "خلال استقصاءاتنا، استخدمنا العديد من أجهزة MOBILE MINOR® لإنتاج مركبات أولية متجانسة أو مواد مهيكلة أو حبيبات لتطبيقات مختلفة بشكل متكرر، وهو ما كان مهمًا لاختباراتنا وأبحاثنا حتى الآن." يتطلع الفريق إلى المستقبل دائمًا، ويعمل بالفعل على أنظمة تخزين الطاقة التالية لليثيوم أيضًا. سنحتاج إلى البقاء على اطلاع لمعرفة ما الذي سيتطور من هذه الاستقصاءات المثيرة.
