Hoge flexibiliteit in research naar keramiek om innovatieve materialen voor batterijen te produceren
03 May 2021
MOBILE MINOR®, in 2015 geleverd voor R&D-activiteiten bij het KIT. Bron: Markus Breig, KIT.
Het Instituut voor toegepaste materialen en energie-opslagsystemen (IAM-ESS) van het Karlsruher Institut für Technologie (KIT) doet onderzoek naar de productie van nieuwe materialen voor energieopslag, bijvoorbeeld voor lithium-ionbatterijen (LIB's) en post-lithium systemen. Een fundamenteel aandachtsgebied krijgt een steeds beter begrip van de chemie en het ontwerp van materialen en de ontwikkeling van keramiekprocessen waarmee toekomstbestendige componenten en systemen kunnen worden gecreëerd.
Een van de meest recente onderzoeken van het IAM richt zich bijvoorbeeld op structurele aspecten van de vorming en spanningsdegradatie van lithium- en mangaanrijke gelaagde oxiden. Het artikel met de resultaten van hun werk, een systematisch onderzoek naar het spanningsverval van mangaanrijke lithiumverbindingen en de samenhang ervan met structuur en samenstelling, wordt gerekend tot de beste 50 publicaties op het gebied van de chemie en materiaalkunde in Nature Communications in 2019.
Al voordat Dr. Binder — nu hoofd van de onderzoeksgroep Synthese- en keramische poedertechnologie — in 1994 bij het KIT (voorheen Forschungszentrum Karlsruhe) kwam werken, gebruikte het instituut twee MOBILE MINOR®'s waarvan er een nog steeds actief is in verschillende onderzoeksgebieden. Enkele jaren geleden werd een nieuwe unit toegevoegd en heel recent nog bestelde het team van Dr. Binder twee nieuwe MOBILE MINOR®'s, waarvan er een — de Jubilee MOBILE MINOR® — de 2500e is die GEA verkocht heeft aan klanten voor R&D-toepassingen.
Dankzij de nieuwe systemen voor de synthese-pilot plant van HEMF kunnen we synthesestrategieën voor veelbelovende batterijmaterialen van laboratoriumniveau overbrengen naar een pilot plant, om grote batterijcellen van deze nieuwe materialen te maken en te analyseren."
– Dr. Joachim R. Binder, Hoofd van de onderzoeksgroep Synthese- en keramische poedertechnologie bij het IAM-ESS van het KIT
Ondersteuning van HEMF's research naar batterijmaterialen bij het KIT
De Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF) is een grootschalig samenwerkend research- en development-platform dat zich richt op de synthese van nieuwe, betere materialen voor energieomzettings- en opslagtoepassingen. Bij het KIT wordt momenteel een pilot plant voor de synthese van batterijmaterialen opgezet als onderdeel van het HEMF-project, zodat bij het batterijtechnologiecentrum van het KIT nu research naar batterijen kan worden gedaan over de hele waardeketen.
Om te beoordelen of nieuwe of verbeterde batterijmaterialen potentieel bruikbaar zijn in een lithium-ionbatterij, zijn monstermassa's in een orde van grootte van enkele grammen voldoende; maar als een materiaal veelbelovende elektrochemische eigenschappen heeft zijn er grotere volumes nodig om de prestaties te beoordelen. Om grote lithium-ion batterijcellen te maken zijn grotere hoeveelheden batterijmaterialen nodig (tot 10 kg). Bij het KIT is een middelgrote synthese-installatie opgebouwd waar de twee MOBILE MINOR®'s worden gebruikt om de benodigde batterijmaterialen te produceren. Deze vervult de volgende taken:
- overbrenging van de kleinschalige synthese op laboratoriumniveau naar schaalbare processen
- voorbereiding van diverse materialen om grote lithium-ion batterijcellen te produceren
- productie van enkele geselecteerde materialen voor de fabricage van batterijsystemen
De belangrijke eisen waaraan de installatie moet voldoen zijn het behoud van de poederkwaliteit tijdens het opschalen en het verzekeren van de reproduceerbaarheid. De middelgrote synthese-installatie biedt een betrouwbaar proces voor materiaalsynthese en daarnaast een hoge mate van flexibiliteit bij de optimalisering van materialen en processen. Momenteel werken twaalf gemotiveerde teamleden van de sectie Synthese- en keramische poedertechnologie bij het IAM-ESS aan toepassingsgerichte wetenschappelijke doorbraken.
Om dit belangrijke werk te ondersteunen heeft GEA gevestigde, toonaangevende droogtechnologie voor het keramiekteam geleverd in de vorm van verschillende MOBILE MINOR®'s, die ideaal zijn voor onderzoeks- en ontwikkelingstoepassingen.
“Dankzij de nieuwe systemen voor de synthese-pilot plant van HEMF kunnen we synthesestrategieën voor veelbelovende batterijmaterialen van het laboratorium overbrengen naar een pilot plant, om grote batterijcellen van deze nieuwe materialen te maken en te analyseren,” zegt Dr. Binder. Behalve deze flexibele sproeidroogunits op pilot-schaal past de sectie ook verdere processtappen toe, zoals malen, precipitatie of calcinatie; in de nabije toekomst wordt ook een complete elektrodeproductie geïmplementeerd bij het KIT batterijtechnologiecentrum.
Naast research naar de synthese van nieuwe elektrodematerialen zoeken de wetenschappers ook naar ferro-elektrische materialen voor microgolftoepassingen die kunnen worden gebruikt in moderne communicatie- en informatiesystemen en voor geprinte elektronica. Gewoonlijk wordt er één unit gebruikt om de ferro-elektrische barium-strontiumtitanaat (BST) materialen te sproeidrogen, terwijl de andere bestemd zijn voor lithium-ion- of natrium-ionmaterialen. Na de lange, succesvolle traditie met GEA sproeidroogapparatuur was de extra flexibiliteit van de twee nieuwe MOBILE MINOR®'s een gamechanger. Als het HEMF-project een hoge doorvoercapaciteit vereist, kunnen de twee nieuwe units parallel worden gebruikt.
De grootste uitdaging bij dit project was de gezamenlijke evaluatie met het KIT-team van de voors en tegens van de verschillende oplossingen die GEA biedt voor R&D-activiteiten."
– Gunter Philipp, Sales Manager bij GEA
“Uiteindelijk gaf de gecombineerde flexibiliteit van twee zelfstandigheden systemen de doorslag voor de verkoop en konden we onze 2500e MOBILE MINOR® voor R&D-activiteiten leveren!” zegt Gunter Philipp. Met een verbeterd design, maar met dezelfde compacte voetafdruk, is de MM-100 sproeidroger van GEA met de nieuwe, uiterst efficiënte cycloon CEE (Cyclone Extra Efficiency) de nieuwste toevoeging aan de MOBILE MINOR®-range.
De nieuw ontwikkelde cycloon CEE vergroot de scheidingsefficiëntie waarmee de beschikbare opbrengst toeneemt terwijl emissies afnemen. De voor diverse toepassingen geschikte MOBILE MINOR® sproeidroger is robuust, betrouwbaar en veelzijdig, en al opgenomen in bijna 2400 installaties over de hele wereld. Hij is ideaal om processen op te schalen en bovendien gemakkelijk te gebruiken, te reinigen en te verplaatsen. De universele gasverspreider voor de roterende vernevelaar en de nozzle voor twee vloeistoffen kunnen gemakkelijk worden vervangen door een gasverspreider op lager snelheid — met een stromingspatroon dat soortgelijk is aan dat van DPH gasverspreiders die worden gebruikt in grotere sproeidrogers — voor verneveling met sproeikoppen.
Sproeidrogen is per definitie een continu proces, dat wordt ontworpen om zowel hoge productiviteit als gelijkmatige productkwaliteit te bieden. Steeds meer chemische en farmaceutische bedrijven geven de voorkeur aan sproeidroogtechniek om betere materialen, poeders of zelfs geneesmiddelen te produceren. Deze ultrasnelle en voorzichtige droogtechnologie biedt namelijk unieke mogelijkheden om deeltjeskenmerken te definiëren.
GEA biedt een reeks sproeidrogers die specifiek ontworpen zijn voor R&D, productontwikkeling en de productie van kleine volumes. De gemakkelijk te bedienen MOBILE MINOR® heeft een vernevelingswiel voor de deeltjesverdeling, terwijl voor grotere installaties de gepatenteerde GEA Combi-Nozzle wordt gebruikt om een consistent hoge en gelijkmatige productkwaliteit te leveren. Met deze opzet kunnen keramische coatings of Ni, Co-insluiting worden behandeld.
Voor welke activiteit de machine ook wordt gebruikt, de samenstelling van de diverse materialen en de deeltjesgrootte van het gesproeide poeder moeten nauwkeurig en reproduceerbaar zijn, zodat onderzoekers de diverse materialen kunnen vergelijken en evalueren. “Tijdens onze onderzoeken hebben we verschillende MOBILE MINOR®'s gebruikt om reproduceerbaar homogene precursoren, gestructureerde materialen of granulaten voor verschillende toepassingen te produceren, wat van grote betekenis is geweest voor onze tests en research tot nog toe,” voegde Dr Binder toe. Omdat het team zijn blik altijd op de toekomst heeft gericht, werkt het ook al aan post-lithium energieopslagsystemen. We zullen de ontwikkelingen op de voet blijven volgen om te zien wat er uit deze spannende onderzoeken naar voren komt.
