Hohe Flexibilität in der Keramikforschung zur Entwicklung innovativer Batteriematerialien
03 May 2021
MOBILE MINOR®, 2015 zur F&E im KIT bereitgestellt; Quelle: Markus Breig, KIT
Das Institut für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) erforscht die Entwicklung neuer Materialien zur Energiespeicherung, etwa Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) und Post-Lithium-Systeme. Ein Schwerpunkt ist das bessere Verständnis von Materialchemie und -design sowie die Entwicklung keramischer Prozesse zur Herstellung zukunftssicherer Komponenten und Systeme.
Beispielsweise beschäftigte sich eine der jüngsten Studien des IAM mit strukturellen Aspekten der Bildung und des Spannungsabbaus von lithium- und manganreichen Schichtoxiden. Die Ergebnisse der Institutsarbeit zählen zu den 50 wichtigsten Publikationen im Bereich der Chemie und Materialwissenschaften und wurden 2019 in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Hierbei handelte es sich um eine systematische Untersuchung des Spannungsabfalls von manganreichen Lithium-Insertionsverbindungen und deren strukturelle und kompositorische Abhängigkeit.
Schon bevor Dr. Binder, inzwischen Leiter der Forschungsgruppe Synthese und keramische Pulvertechnologie, im Jahr 1994 an das KIT (früher das Forschungszentrum Karlsruhe) gekommen ist, gab es zwei MOBILE MINOR® Trockner im Institut. Einer wird sogar noch immer auf verschiedenen Forschungsgebieten eingesetzt. Vor einigen Jahren erwarb das Institut ein zweites System und erst kürzlich bestellte sein Team zwei MOBILE MINOR® Sprühtrockner. Einer davon war der 2500. MOBILE MINOR® von GEA, der an einen Kunden aus der Forschung und Entwicklung geliefert wurde.
Durch die neuen Systeme für die HEMF-Synthese-Pilotanlage können wir Synthesestrategien für vielversprechende Batteriematerialien vom Labor- in den Technikumsmaßstab überführen, um großformatige Batteriezellen aus diesen neuartigen Materialien herzustellen und zu analysieren.“
– Dr. Joachim R. Binder, Leiter der Forschungsgruppe Synthese und keramische Pulvertechnologie am IAM-ESS des KIT
Unterstützung bei der HEMF-Erforschung von Batteriematerialien am KIT
Die Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF) ist eine groß angelegte Plattform zur gemeinsamen Forschung und Entwicklung im Bereich der Synthese neuer und verbesserter Materialien für die Energieumwandlung und -speicherung. Am KIT wird im Rahmen des HEMF-Projekts eine Synthese-Pilotanlage für Batteriematerialien aufgebaut, sodass die Batterieforschung nun über die gesamte Wertschöpfungskette am Batterietechnikum des KIT erfolgen kann.
Zur Bewertung neuer oder verbesserter Batteriematerialien im Hinblick auf eine mögliche Anwendung in Lithium-Ionen-Batterien reichen Probenmengen von wenigen Gramm aus. Weist ein Material aber vielversprechende elektrochemische Eigenschaften auf, muss seine Leistungsfähigkeit im größeren Maßstab validiert werden. Für die Herstellung großformatiger Lithium-Ionen-Batteriezellen werden größere Mengen Batteriematerial (bis zu 10 kg) benötigt. Am KIT wird hierfür eine mittelgroße Syntheseanlage errichtet, in der mithilfe von zwei MOBILE MINOR® Sprühtrocknern die benötigten Batteriematerialien produziert werden. Diese übernimmt die folgenden Aufgaben:
- Übertragung der Synthesestrategien von der Laborsynthese im kleinen Maßstab auf skalierbare Prozesse
- Vorbereitung verschiedener Materialien zur Herstellung großformatiger Lithium-Ionen-Batteriezellen
- Produktion von wenigen ausgewählten Materialien zur Herstellung von Batteriesystemen
Die wichtigsten Anforderungen an die Anlage sind die Erhaltung der Pulverqualität beim Up-Scaling und die Reproduzierbarkeit. Die mittelgroße Syntheseanlage stellt nicht nur einen zuverlässigen Prozess für die Materialsynthese sicher, sondern bietet darüber hinaus ein hohes Maß an Flexibilität bei der Material- und Prozessoptimierung. Aktuell arbeiten am IAM-ESS zwölf motivierte Teammitglieder im Bereich Synthese und keramische Pulvertechnologie, um anwendungsorientierte wissenschaftliche Durchbrüche zu erzielen.
Um diese wichtige Arbeit zu unterstützen, hat GEA dem für die Keramikforschung zuständigen Team mehrere MOBILE MINOR® Sprühtrockner bereitgestellt, eine etablierte Trocknungstechnologie, die neue Maßstäbe setzt und für Anwendungen in der Forschung und Entwicklung ideal geeignet ist.
„Durch die neuen Systeme für die HEMF-Synthese-Pilotanlage können wir Synthesestrategien für vielversprechende Batteriematerialien vom Labor- in den Technikumsmaßstab überführen, um großformatige Batteriezellen aus diesen neuartigen Materialien herzustellen und zu analysieren“, so Dr. Binder. Zusätzlich zu dieser flexiblen Pilotanlage zur Sprühtrocknung werden weitere Prozessschritte angewendet, wie Mahlung, Ausfällung oder Kalzinierung. Demnächst wird am Batterietechnikum des KIT zudem die vollständige Fertigung von Elektroden eingeführt.
Neben der Forschung auf dem Gebiet der Synthese von neuartigen Elektrodenmaterialien beschäftigen sich die Wissenschaftler mit ferroelektrischen Materialien für Mikrowellenanwendungen und gehen der Frage nach, wie diese in modernen Kommunikations- und Informationssystemen sowie gedruckter Elektronik genutzt werden können. Normalerweise wird eine Einheit zur Sprühtrocknung der ferroelektrischen Barium-Strontium-Titanat(BST)-Materialien verwendet, die anderen für Lithium-Ionen- oder Natrium-Ionen-Materialien. Ausgehend von dem langjährigen und erfolgreichen Einsatz der GEA Sprühtrocknungssysteme wurde durch die zusätzliche Flexibilität der beiden neuen MOBILE MINOR® Sprühtrockner eine echte Wende eingeläutet. Wenn für das HEMF-Projekt ein hoher Durchsatz erforderlich ist, können die beiden neuen Trockner parallel betrieben werden.
Die größte Herausforderung bei diesem Projekt bestand darin, zusammen mit dem KIT-Team zu analysieren, was im Hinblick auf die Forschungs- und Entwicklungsarbeit jeweils für oder gegen eine bestimmte GEA Lösung spricht.“
– Gunter Philipp, Sales Manager bei GEA
„Letztendlich entschied man sich dann aufgrund ihrer Flexibilität für zwei unabhängige Systeme und wir konnten den 2500. zur Forschung und Entwicklung eingesetzten MOBILE MINOR® ausliefern“, sagt Gunter Philipp. Der GEA MM-100 Sprühtrockner ist mit seinem optimierten, aber nach wie vor kompakten Design und dem neuen und hocheffizienten CEE-Zyklon (Cyclone Extra Efficiency) das neueste Mitglied der MOBILE MINOR® Serie.
Der neu entwickelte CEE-Zyklon bietet einen höheren Abscheidegrad mit besserer Ausbeute und weniger Emissionen. Der in nahezu 2400 Anlagen auf der ganzen Welt installierte und anwendungsübergreifend einsetzbare MOBILE MINOR® Sprühtrockner ist robust, zuverlässig und vielseitig. Er ist ideal für Up-Scaling-Prozessanwendungen, bedienerfreundlich, leicht zu reinigen und zu transportieren. Zur Düsenzerstäubung können der Universal-Gasverteiler für den Rotationszerstäuber sowie die Zweistoffdüsen leicht gegen einen optionalen Gasverteiler mit niedriger Geschwindigkeit (mit ähnlicher Strömungsführung wie bei den in größeren Sprühtrocknern verwendeten DPH-Gasverteiler) ausgetauscht werden.
Die Sprühtrocknung ist per se ein kontinuierlicher Prozess, der eine hohe Produktivität sowie einheitliche Produktqualität bietet. Die Sprühtrocknung ist eine Technik, auf die immer mehr Chemie- und Pharmaunternehmen setzen, um bessere Materialien, Pulver oder sogar Medikamente herzustellen. Diese ultraschnelle und schonende Trocknungstechnologie bietet einzigartige Möglichkeiten, um die Partikeleigenschaften zu definieren.
GEA hat verschiedene Sprühtrockner im Programm, die speziell für die F&E, Produktentwicklung und Produktion kleiner Mengen ausgelegt sind. Der bedienerfreundliche MOBILE MINOR® nutzt ein Zerstäubungsrad zur Partikelverteilung. Bei größeren Anlagen wird hingegen die patentierte GEA Combi-Nozzle eingesetzt, um eine konstant hohe und einheitliche Produktqualität zu erreichen. Ob keramische Beschichtungen oder Ni, Co-Containment ist für diesen Aufbau kein Problem.
Unabhängig von der Aktivität müssen die Zusammensetzung der verschiedenen Materialien und die Partikelgröße des gesprühten Pulvers präzise und reproduzierbar sein, damit die Forscher die verschiedenen Materialien vergleichen und bewerten können. „Während unserer Untersuchungen haben wir mehrere MOBILE MINOR® Sprühtrockner eingesetzt, um homogene Vorprodukte, strukturierte Materialien oder Granulate für verschiedene Anwendungen reproduzierbar herzustellen, was für unsere bisherigen Tests und Forschungen signifikant war“, fügt Dr. Binder hinzu. Das Team hat immer ein Auge auf die Zukunft und arbeitet bereits an Post-Lithium-Energiespeichern. Hier lohnt es sich auf jeden Fall dranzubleiben. Wer weiß, was sich durch diese spannenden Untersuchungen alles ergeben wird!
