Alta flessibilità nella ricerca sulla ceramica per produrre materiali innovativi per batterie
03 May 2021
MOBILE MINOR® consegnato nel 2015 per attività di R&S al KIT. Fonte: Markus Breig, KIT.
L'Institute for Applied Materials - Energy Storage Systems (IAM-ESS) del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) svolge ricerche sulla produzione di nuovi materiali per l'accumulo di energia, come le batterie agli ioni di litio (LIB) e i sistemi post-litio. L'attenzione è concentrata in particolare su una migliore comprensione della chimica e del design dei materiali e sullo sviluppo di processi ceramici che permetteranno la creazione di componenti e sistemi pronti per il futuro.
Ad esempio, uno degli ultimi studi dello IAM ha riguardato gli aspetti strutturali della formazione e della degradazione della tensione degli ossidi stratificati ricchi di litio e manganese. Il lavoro, valutato tra i primi 50 studi di chimica e scienze dei materiali, è stato pubblicato da Nature Communications nel 2019 ed è il risultato di un'analisi sistematica del decadimento della tensione dei composti di inserzione del litio ricchi di manganese e della loro dipendenza strutturale e composizionale.
Già prima che il Dr. Binder — ora a capo del gruppo di ricerca Synthesis and Ceramic Powder Technology — entrasse al KIT (ex Forschungszentrum Karlsruhe) nel 1994, l'istituto utilizzava due MOBILE MINOR®, uno dei quali è ancora attivo in vari settori di ricerca. Alcuni anni fa, è stata aggiunta un'altra unità e, di recente, il suo team ha ordinato due nuovi MOBILE MINOR®, uno dei quali — il Jubilee MOBILE MINOR® — rappresenta la 2500esima unità venduta da GEA ai clienti per applicazioni di R&S.
I nuovi sistemi per l'impianto pilota dell'HEMF ci permetteranno di trasferire le strategie per la sintesi di promettenti materiali per batterie dalla scala di laboratorio a quella di impianto pilota per produrre e analizzare celle di batterie di grandi dimensioni in questi nuovi materiali".
– Dr. Joachim R. Binder, responsabile del gruppo di ricerca: Synthesis and Ceramic Powder Technology all'IAM-ESS del KIT
Supporto della ricerca sui materiali delle batterie dell'HEMF al KIT
La Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF) è una piattaforma di ricerca e sviluppo collaborativa su larga scala dedicata alla sintesi di materiali nuovi e ottimizzati per applicazioni di conversione e stoccaggio dell'energia. Nell'ambito del progetto HEMF, al KIT è in fase di allestimento un impianto pilota per la sintesi dei materiali per batterie che consentirà di svolgere la ricerca sulle batterie lungo l'intera catena del valore presso il Battery Technology Center del KIT.
Per la valutazione di materiali per batterie nuovi o perfezionati da utilizzare potenzialmente in una batteria agli ioni di litio, sono sufficienti campioni con un peso di pochi grammi; ma, se un materiale mostra proprietà elettrochimiche promettenti, le sue prestazioni devono essere convalidate con volumi maggiori. Per produrre batterie di grandi dimensioni con celle agli ioni di litio occorrono quantità maggiori di materiali (fino a 10 kg) e presso il KIT è stato costruito un impianto di sintesi di medie dimensioni dove i due MOBILE MINOR® vengono utilizzati per produrre i materiali necessari per le batterie. L'impianto svolge le seguenti funzioni:
- trasferimento dalla sintesi di laboratorio su piccola scala a processi scalabili
- preparazione di diversi materiali per produrre celle di batterie agli ioni di litio di grandi dimensioni
- produzione di materiali selezionati per la fabbricazione di sistemi di batterie
I requisiti principali dell'impianto sono preservare la qualità delle polveri durante lo scale-up e assicurare la riproducibilità. L'impianto di sintesi di medie dimensioni permette sia un processo affidabile per la sintesi dei materiali che un alto grado di flessibilità durante l'ottimizzazione dei materiali e del processo. Attualmente, nella sezione di sintesi e tecnologia delle polveri ceramiche dello IAM-ESS lavora un team di dodici persone motivate a ottenere risultati scientifici innovativi orientati al tipo di applicazione.
Per sostenere questo importante lavoro, GEA ha fornito al team diversi MOBILE MINOR®, una comprovata tecnologia di essiccazione ideale per applicazioni di ricerca e sviluppo, che fissa nuovi standard di riferimento.
"I nuovi sistemi per l'impianto pilota dell'HEMF ci permetteranno di trasferire le strategie per la sintesi di promettenti materiali per batterie dalla scala di laboratorio a quella di impianto pilota per produrre e analizzare celle di batterie di grandi dimensioni in questi nuovi materiali". Oltre a queste flessibili unità di spray drying su scala pilota, la sezione impiega anche ulteriori fasi di processo, come la macinazione, la precipitazione o la calcinazione; nel prossimo futuro, al Battery Technology Center del KIT sarà implementata anche la produzione completa di elettrodi.
Accanto all'attività di ricerca per la sintesi di nuovi materiali per elettrodi, gli scienziati stanno valutando materiali ferroelettrici per applicazioni a microonde da utilizzare nei moderni sistemi di comunicazione e informazione, nonché nel campo dell'elettronica stampata. Di solito, un'unità è usata per lo spray drying di materiali ferroelettrici in titanato di stronzio di bario (BST), mentre le altre sono utilizzate per materiali agli ioni di litio o sodio. Basata su una lunga tradizione di successo nell'uso delle attrezzature per lo spray drying di GEA, l'ulteriore flessibilità dei due nuovi MOBILE MINOR® ha segnato una svolta decisiva. Se il progetto HEMF dovesse richiedere un'elevata capacità di produzione, le due nuove unità possono essere utilizzate in parallelo.
La sfida più grande in questo progetto è stata quella di valutare insieme al team del KIT i pro e i contro delle varie soluzioni GEA per le attività di R&S".
– Gunter Philipp, Sales Manager GEA
"Ad avere la meglio è stata la flessibilità combinata di due sistemi indipendenti e finalmente abbiamo potuto consegnare il Jubilee MOBILE MINOR® 2500 per le attività di R&S!" ha commentato Gunter Philipp. Con un design migliorato ma mantenendo le stesse dimensioni compatte, lo spray dryer MM-100 di GEA, dotato del nuovo ed efficientissimo ciclone CEE (Cyclone Extra Efficiency), è l'ultimo arrivato nella gamma MOBILE MINOR®.
Il ciclone CEE di nuova concezione offre una maggiore efficienza di separazione, che aumenta il rendimento e riduce le emissioni. Installato in quasi 2400 impianti in tutto il mondo, lo spray dryer MOBILE MINOR® per applicazioni trasversali è robusto, affidabile e versatile. Ideale per applicazioni di scale-up di processo, è anche facile da usare, pulire e spostare. Il dispersore di gas universale per l'atomizzatore rotante e l'ugello a due fluidi può essere facilmente sostituito con un dispersore di gas opzionale a bassa velocità — che ha un modello di flusso simile ai dispersori di gas DPH utilizzati negli spray dryer più grandi — per l'atomizzazione dell'ugello.
Per sua natura, lo spray drying è un processo continuo progettato per offrire sia un'alta produttività che una qualità uniforme del prodotto. Lo spray drying è una tecnica preferita da un numero crescente di aziende chimiche e farmaceutiche per produrre materiali, polveri o anche farmaci migliori. Tale tecnologia, ultra rapida e delicata, offre possibilità esclusive di definire le caratteristiche delle particelle.
GEA offre una gamma di spray dryer progettati specificamente per R&S, sviluppo del prodotto e produzione di volumi ridotti. Il MOBILE MINOR®, facile da usare, utilizza una ruota atomizzatrice per la distribuzione delle particelle mentre, per impianti più grandi, viene utilizzato il GEA Combi-Nozzle brevettato per produrre una qualità del prodotto costantemente elevata e uniforme. Questo sistema è in grado di gestire rivestimenti ceramici e materiali di contenimento come Ni o Co.
Qualunque sia l'attività e la composizione dei vari materiali, la dimensione delle particelle delle polveri applicate deve essere precisa e riproducibile, per permettere ai ricercatori di confrontare e valutare i vari materiali. "Durante le nostre prove, abbiamo utilizzato diversi MOBILE MINOR® per produrre precursori omogenei, materiali strutturati o granulati riproducibili per diverse applicazioni e questo è stato importante per i nostri test e le nostre ricerche finora", ha aggiunto il Dr. Binder. Guardando sempre al futuro, il team sta già lavorando anche su sistemi di stoccaggio dell'energia post-litio. Continueremo a seguire gli sviluppi per scoprire i risultati di queste interessanti ricerche.
