Wysoka elastyczność w badaniach nad materiałami ceramicznymi w celu uzyskania innowacyjnych materiałów do produkcji akumulatorów
03 May 2021
Urządzenie MOBILE MINOR® dostarczone w 2015 roku do procesów badawczo-rozwojowych w KIT. Źródło: Markus Breig, KIT.
Instytut Materiałów Stosowanych — Systemów Magazynowania Energii (IAM-ESS) w Instytucie Technologii w Karlsruhe (KIT) prowadzi badania nad produkcją nowych materiałów do magazynowania energii, takich jak baterie litowo-jonowe (LIB) i systemy postlitowe. Kluczowym obszarem zainteresowania jest lepsze zrozumienie chemii i struktury materiałów oraz rozwój procesów ceramicznych, które umożliwią tworzenie przyszłościowych komponentów i systemów.
Na przykład jedno z najnowszych badań IAM koncentrowało się na strukturalnych aspektach powstawania i degradacji napięciowej tlenków warstwowych bogatych w lit i mangan. Wyniki tych prac znalazły się w 2019 roku wśród 50 najlepszych publikacji w dziedzinie chemii i nauk o materiałach czasopisma Nature Communications; w ramach prac systematycznie zbadano zanik napięcia w bogatych w mangan związkach insercyjnych litu oraz ich zależności strukturalne i składowe.
Jeszcze zanim dr Binder — obecny kierownik grupy badawczej pod nazwą Technologia Syntezy i Proszków Ceramicznych — dołączył do KIT (wcześniej Forschungszentrum Karlsruhe) w 1994 roku, instytut już korzystał z dwóch urządzeń MOBILE MINOR®, z których jedno wciąż jest stosowane do rozmaitych celów badawczych. Kilka lat temu dodano kolejne urządzenie, a całkiem niedawno jego zespół zamówił dwa nowe urządzenia MOBILE MINOR®, z których jedno — jubileuszowy MOBILE MINOR® — jest dwa tysiące pięćsetnym urządzeniem sprzedanym klientom przez GEA do celów badawczo-rozwojowych.
„Nowe systemy do pilotowej instalacji syntezy HEMF pozwolą nam na przeniesienie strategii syntezy obiecujących materiałów akumulatorowych z laboratorium do skali instalacji pilotowej w celu wytworzenia i przeanalizowania dużych ogniw akumulatorowych z tych nowych materiałów”.
— Dr Joachim R. Binder, kierownik grupy badawczej Technologia Syntezy i Proszków Ceramicznych w IAM-ESS, w KIT
KIT wspiera badania HEMF nad materiałami do produkcji akumulatorów
Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF) to zakrojona na szeroką skalę wspólna platforma badawczo-rozwojowa zajmująca się syntezą nowych i ulepszonych materiałów do zastosowań w konwersji i magazynowaniu energii. W ramach projektu HEMF w KIT powstaje pilotowa instalacja syntezy materiałów do produkcji akumulatorów, dzięki czemu badania nad akumulatorami mogą być prowadzone w całym łańcuchu wartości w Centrum Technologii Akumulatorów KIT.
Do oceny nowych lub ulepszonych materiałów akumulatorowych pod kątem potencjalnego zastosowania w akumulatorach litowo-jonowych wystarczą próbki o masie kilku gramów, ale jeśli materiał wykazuje obiecujące właściwości elektrochemiczne, jego wydajność musi być zweryfikowana przy użyciu większych ilości. Do produkcji dużych ogniw litowo-jonowych potrzebne są większe ilości materiałów akumulatorowych (do 10 kg), dlatego w KIT powstaje średniej wielkości instalacja syntezy, w której dwa urządzenia MOBILE MINOR® służą do produkcji potrzebnych materiałów akumulatorowych. Instalacja wykonuje następujące zadania:
- przejście od syntezy laboratoryjnej na małą skalę do procesów przemysłowych,
- przygotowanie kilku materiałów do produkcji dużych ogniw akumulatorów litowo-jonowych,
- wytwarzanie kilku wybranych materiałów do produkcji systemów akumulatorowych.
Kluczowymi wymogami odnośnie instalacji jest zachowanie jakości proszku podczas rozszerzania produkcji i zapewnienie powtarzalności. Średniej wielkości instalacja do syntezy umożliwia zarówno niezawodny proces syntezy materiałów, jak i dużą elastyczność podczas optymalizacji materiałów i procesów. Obecnie w dziale technologii syntezy i proszków ceramicznych IAM-ESS pracuje dwanaście zmotywowanych członków zespołu, których zadaniem jest dostarczanie przełomowych odkryć naukowych ukierunkowanych na zastosowania.
Aby wesprzeć tę ważną pracę, GEA dostarczyła zespołowi ds. materiałów ceramicznych kilka urządzeń MOBILE MINOR® — sprawdzoną i wyznaczającą standardy technologię suszenia, która jest idealna do zastosowań badawczo-rozwojowych.
„Nowe systemy przeznaczone na potrzeby pilotowej instalacji syntezy HEMF pozwolą nam na przeniesienie strategii syntezy obiecujących materiałów akumulatorowych z laboratorium do skali instalacji pilotowej w celu wytworzenia i przeanalizowania dużych ogniw akumulatorowych z tych nowych materiałów” — powiedział dr Binder. Oprócz tych elastycznych, funkcjonujących w skali pilotowej urządzeń do suszenia rozpyłowego, dział wykorzystuje również dalsze etapy procesu, takie jak mielenie, wytrącanie lub kalcynacja; w najbliższej przyszłości w Centrum Technologii Akumulatorów KIT wdrożona zostanie również kompletna produkcja elektrod.
Oprócz badań nad syntezą nowych materiałów elektrodowych naukowcy poszukują materiałów ferroelektrycznych do zastosowań mikrofalowych, które mogą być wykorzystane w nowoczesnych systemach informacyjno-komunikacyjnych oraz w elektronice drukowanej. Zazwyczaj jedno urządzenie jest używane do suszenia rozpyłowego materiałów ferroelektrycznych zawierających tytanian barowo-strontowy (BST), podczas gdy inne są wykorzystywane do materiałów litowo-jonowych lub sodowo-jonowych. Bazując na długiej tradycji udanego stosowania urządzeń do suszenia rozpyłowego GEA, dzięki dwóm nowym urządzeniom MOBILE MINOR® uzyskano dodatkową elastyczność, która dała wymierne korzyści. Jeśli projekt HEMF wymaga dużej przepustowości, wówczas te dwa nowe urządzenia mogą być używane równolegle.
„Największym wyzwaniem w tym projekcie była wspólna z zespołem KIT ocena zalet i wad różnych rozwiązań GEA do procesów badawczo-rozwojowych".
– Gunter Philipp, kierownik ds. sprzedaży w GEA
„Ostatecznie jednak połączona elastyczność dwóch niezależnych systemów wygrała wyścig i pozwoliła nam finalnie dostarczyć jubileuszowy MOBILE MINOR® 2500 do procesów badawczo-rozwojowych!” — skomentował Gunter Philipp. Oferując udoskonaloną konstrukcję, lecz zachowując ten sam kompaktowy rozmiar, suszarka rozpyłowa MM-100 firmy GEA, wyposażona w nowy, wysokowydajny cyklon CEE (technologia „Cyclone Extra Efficiency”), jest najnowszym uzupełnieniem gamy produktów MOBILE MINOR®.
Nowo opracowany cyklon CEE oferuje wyższą wydajność oddzielania, co zwiększa uzysk i zmniejsza emisję zanieczyszczeń. Zainstalowana w prawie 2400 zakładach na całym świecie suszarka rozpyłowa MOBILE MINOR® do różnorodnych zastosowań jest solidna, niezawodna i wszechstronna. Idealna do zastosowań wymagających rozszerzania procesów, jest również łatwa w użyciu, czyszczeniu i przenoszeniu. Uniwersalny dozownik gazu do mechanizmu rozpyłowego oraz dyszy dwuczynnikowej można łatwo wymienić na opcjonalny dozownik gazu o niskiej prędkości do atomizacji na dyszy, który ma podobny wzór przepływu do dozowników gazu DPH stosowanych w większych suszarkach rozpyłowych.
Suszenie rozpyłowe jest ze swej natury procesem ciągłym i zostało zaprojektowane tak, by zapewnić zarówno wysoką wydajność, jak i jednolitą jakość produktu. Suszenie rozpyłowe jest techniką preferowaną przez coraz większą liczbę firm chemicznych i farmaceutycznych do produkcji lepszych materiałów, proszków, a nawet leków. Ta ultraszybka i delikatna technologia suszenia oferuje unikatowe sposoby ustalenia właściwości cząstek.
GEA oferuje szeroki wybór suszarek rozpyłowych zaprojektowanych specjalnie do procesów badawczo-rozwojowych, opracowywania produktów i produkcji małoseryjnej. Łatwe w obsłudze urządzenie MOBILE MINOR® wykorzystuje koło rozpylające do rozprowadzania cząstek, podczas gdy w przypadku większych instalacji opatentowana dysza GEA Combi-Nozzle jest używana do uzyskania stałej, wysokiej i jednolitej jakości produktu. Ten zestaw może obsługiwać powłoki ceramiczne lub rozwiązania bezpieczeństwa z wykorzystaniem niklu i kobaltu.
Niezależnie od rodzaju działalności, skład różnych materiałów i wielkość cząstek rozpylonego proszku muszą być precyzyjne i powtarzalne, co umożliwia badaczom porównanie i ocenę różnych materiałów. „W trakcie naszych badań korzystamy z kilku urządzeń MOBILE MINOR®do powtarzalnej produkcji jednorodnych prekursorów, materiałów o określonej strukturze lub granulatów do różnych zastosowań, co miało duże znaczenie dla naszych dotychczasowych testów i badań” — dodał dr Binder. Zawsze patrząc w przyszłość, zespół pracuje już także nad postlitowymi systemami magazynowania energii. Będziemy musieli śledzić ich poczynania, aby zobaczyć, co wyniknie z tych ekscytujących badań.
