La recherche sur les céramiques s’appuie sur la grande flexibilité de l’équipement GEA pour produire des matériaux de batterie innovants
03 May 2021
MOBILE MINOR® livré en 2015 pour les activités de R&D du KIT. Source : Markus Breig, KIT.
L’IAM-ESS (Institute for Applied Materials - Energy Storage Systems, Institut des matériaux appliqués - systèmes de stockage d’énergie) du KIT (Karlsruhe Institute of Technology, Institut de technologie de Karlsruhe) concentre ses recherches sur la production de matériaux novateurs pour le stockage de l’énergie, notamment pour les batteries lithium-ion et les systèmes post-lithium. Un de ses principaux domaines d'intérêt est de mieux comprendre la chimie et la conception des matériaux, et le développement de procédés céramiques qui permettent la création de composants et systèmes à l’épreuve du futur.
Par exemple, une des dernières études de l’IAM s’intéresse aux aspects structuraux de la formation et de la dégradation sous tension des oxydes stratifiés riches en manganèse et en lithium. Les résultats de ces travaux, qui ont été classés dans les 50 premières publications de chimie et sciences des matériaux publiées dans Nature Communications en 2019, ont porté de manière systématique sur la chute de tension des composés à insertion de lithium riches en manganèse, et sur leur dépendance structurale et de composition.
Même avant que le Professeur Binder, qui est maintenant le Directeur du groupe de recherche Synthesis and Ceramic Powder Technology (Synthèse et technologie des poudres céramiques), ne rejoigne le KIT (l’ex-Forschungszentrum Karlsruhe) en 1994, l’institut utilisait déjà deux MOBILE MINOR®, dont l’un est encore utilisé dans divers domaines de recherche. Il y a quelques années, l’équipe s’est dotée d’une nouvelle unité et, tout récemment, elle a commandé deux nouveaux MOBILE MINOR®, dont un, le Jubilee MOBILE MINOR®, est la 2500e vente de GEA à des clients pour des applications de R&D.
Les nouveaux systèmes destinés à l’installation pilote de synthèse de l’HEMF nous permettront de faire passer les stratégies de synthèse permettant d’obtenir des matériaux de batterie prometteurs de l’échelle de laboratoire à l’échelle pilote, pour fabriquer et analyser des éléments de batterie de grandes dimensions employant ces nouveaux matériaux ».
– Prof. Joachim R. Binder, Directeur du groupe de recherche Synthèse et technologie des poudres céramiques à l’IAM-ESS au KIT
Nous soutenons la recherche sur les matériaux de batterie de l’HEMF au KIT
L’HEMF (Helmholtz Energy Materials Foundry) est une plateforme de recherche et développement collaborative à grande échelle dédiée à la synthèse de matériaux nouveaux et améliorés pour les applications de conversion et de stockage d’énergie. Au KIT, une installation pilote réservée aux matériaux de batterie est actuellement mise en place dans le cadre du projet HEMF, afin de pouvoir étendre les recherches sur les batteries à toute la chaîne de valeur dans le Centre de technologie de batteries du KIT.
Pour évaluer des matériaux de batterie nouveaux ou améliorés en vue de leur utilisation potentielle dans une batterie lithium-ion, des masses d’échantillon de l'ordre de quelques grammes suffisent. Cependant, si les propriétés électrochimiques d’un matériau s’annoncent prometteuses, ses performances doivent ensuite être validées avec des volumes plus importants. Pour fabriquer des batteries à cellules ion-lithium de grandes dimensions, de plus grosses quantités (jusqu’à 10 kg) de matériau sont requises, raison pour laquelle le KIT construit une installation de synthèse de dimensions moyennes, qui s'appuie sur deux MOBILE MINOR® pour produire les matériaux de batterie requis. Cette installation permet de :
- Faire passer la synthèse de l’échelle du laboratoire au stade de procédé évolutif.
- Préparer plusieurs matériaux pour produire des éléments de batterie ion-lithium de grandes dimensions.
- Produire quelques matériaux sélectionnés pour la fabrication de batteries.
Le cahier des charges de l’installation met l'accent sur la conservation de la qualité des poudres lors de la montée en échelle et sur la reproductibilité. Cette installation de synthèse de dimensions moyennes permet à la fois un procédé fiable pour la synthèse des matériaux et un haut degré de flexibilité durant l'optimisation des matériaux et des procédés. À l’heure actuelle, douze membres motivés de l’équipe de l’IAM-ESS travaillent dans la division dédiée à la technologie des poudres céramiques pour développer des procédés scientifiques révolutionnaires qui aient de nombreuses applications.
Pour soutenir ces travaux importants, GEA a fourni à l’équipe céramiques plusieurs MOBILE MINOR®, une technologie de séchage de référence qui n'a plus à faire ses preuves, idéale pour les applications de recherche et développement.
« Les nouveaux systèmes destinés à l’installation pilote de synthèse de l’HEMF nous permettront de faire passer les stratégies de synthèse permettant d’obtenir des matériaux de batterie prometteurs de l’échelle de laboratoire à l’échelle pilote, pour fabriquer et analyser des éléments de batterie de grandes dimensions avec ces nouveaux matériaux », a commenté le Professeur Binder. En plus de ces unités de séchage par atomisation pilotes flexibles, cette division emploie d’autres étapes de procédé, telles que le broyage, la précipitation ou la calcination ; dans un futur proche, une production d'électrodes complètes sera également mise en place dans le Centre de technologie de batteries du KIT.
Parallèlement à leurs recherches sur la synthèse de nouveaux matériaux d’électrode, les chercheurs s’intéressent aux matériaux ferroélectriques pour applications micro-ondes, qui sont utilisés dans les télécommunications et les systèmes informatiques modernes, ainsi que dans le domaine des circuits imprimés. En règle générale, une unité est utilisée pour le séchage par atomisation des matériaux ferroélectriques comme le titanate de baryum strontium (BST), tandis que les autres sont utilisées pour les matériaux lithium-ion ou natrium-ion. S’appuyant sur une longue tradition d'utilisation convaincante de l’équipement de séchage par atomisation de GEA, la flexibilité additionnelle offerte par les deux nouveaux MOBILE MINOR® a changé la donne. Si le projet HEMF exige une capacité supérieure, les deux nouvelles unités peuvent être utilisées en parallèle.
Le principal défi de ce projet était d’évaluer avec l’équipe du KIT les avantages et les inconvénients des diverses solutions de GEA pour les activités de R&D. »
– Gunter Philipp, Directeur commercial chez GEA
« À la fin, la flexibilité combinée offerte par deux systèmes indépendants l’a emporté, ce qui nous a permis de livrer le Jubilee MOBILE MINOR® 2500 pour des activités de R&D », a commenté Gunter Philipp. Bénéficiant d’une conception améliorée mais toujours aussi compact que ces prédécesseurs, le sécheur-atomiseur MM-100 de GEA, équipé du nouveau et hautement efficace cyclone CEE (Cyclone Extra Efficiency), est le dernier-né de la gamme MOBILE MINOR®.
Développé récemment, le cyclone CEE offre une plus grande efficacité de séparation de poudre résultant en des émissions plus basses. Installé dans près de 2400 installations à travers le monde, le sécheur-atomiseur MOBILE MINOR® est robuste, fiable et polyvalent, et se prête à de multiples applications. Idéal pour les applications de montée en échelle, il est aussi facile à utiliser, à nettoyer et à déplacer. Le disperseur de gaz universel de l’atomiseur rotatif ainsi que la buse bifluide peuvent être facilement remplacés par un disperseur de gaz à basse vitesse en option, qui a une configuration d’écoulement similaire à celle des disperseurs de gaz DPH utilisés dans les sécheurs-atomiseurs de plus grandes dimensions, pour l'atomisation à buses.
De par sa nature, le séchage par atomisation est un procédé en continu, conçu pour offrir à la fois une haute productivité et une qualité produit uniforme. Le séchage par atomisation est la technique privilégiée par un nombre grandissant de sociétés chimiques et pharmaceutiques pour produire de meilleurs matériaux, poudres ou, même, médicaments. Cette technologie de séchage ultra-rapide et douce offre des façons uniques de définir les caractéristiques des particules.
GEA propose une gamme de sécheurs-atomiseurs spécialement conçus pour la recherche et le développement, le développement de produits et la production de petits volumes. Facile à utiliser, le MOBILE MINOR® utilise une roue d'atomiseur pour la distribution des particules tandis que, dans les installations plus grandes, le GEA Combi-Nozzle breveté est utilisé pour obtenir une qualité de produit élevée et homogène. Cet agencement permet de gérer les enrobages céramiques ou le confinement du Ni et du Co.
Quelle que soit l’activité, la composition des divers matériaux et la granulométrie de la poudre atomisée doivent être précises et reproductibles, pour permettre aux chercheurs de comparer et d’évaluer les divers matériaux. « Durant nos recherches, nous avons utilisé plusieurs MOBILE MINOR® pour produire de manière reproductible des précurseurs, des matériaux structurés ou des granulés homogènes pour différentes applications, ce qui a été crucial pour nos essais et recherches à ce jour », a ajouté le Professeur Binder. Toujours tournée vers le futur, l’équipe travaille déjà aussi sur des systèmes de stockage d’énergie post-lithium. Nous devrons garder le contact afin de découvrir ce qui ressortira de ces études passionnantes.
