Alta flexibilidade na pesquisa de cerâmicas para produzir materiais inovadores para baterias
03 May 2021
MOBILE MINOR® entregue em 2015 para atividades de P&D no KIT. Fonte: Markus Breig, KIT.
O Instituto de Materiais Aplicados - Sistemas de Armazenamento de Energia (IAM-ESS) do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) realiza pesquisas que examinam a produção de novos materiais para armazenamento de energia, como baterias de íon de lítio (LIBs) e sistemas pós-lítio. Uma área-chave de interesse é obter um melhor entendimento da química e design de materiais, e o desenvolvimento de processos cerâmicos que permitirão a criação de componentes e sistemas voltados para o futuro.
Por exemplo, um dos estudos mais recentes do IAM focou aspectos estruturais da formação e degradação da tensão de óxidos estratificados ricos em lítio e manganês. Os resultados de seu trabalho, que foi classificado entre as 50 principais publicações em ciências químicas e materiais publicadas na Nature Communications 2019, e investigou sistematicamente a queda de tensão de compostos de inserção de lítio ricos em manganês e sua dependência estrutural e composicional.
Mesmo antes do Dr. Binder - que agora é o chefe do grupo de pesquisa: Tecnologia de Síntese e Pó Cerâmico - ter ingressado no KIT (anteriormente Forschungszentrum Karlsruhe) em 1994, o instituto estava usando dois MOBILE MINOR®s, um dos quais ainda está ativo em várias áreas de pesquisa. Alguns anos atrás, eles acrescentaram outra unidade e, muito recentemente, sua equipe encomendou dois novos MOBILE MINOR®, um dos quais - o Jubileu MOBILE MINOR® - representa a 2500ª venda da GEA à clientes para aplicações de P&D.
Os novos sistemas para a planta piloto de síntese HEMF nos permitirão transferir estratégias de síntese para materiais de bateria promissores desde o laboratório até a escala da planta piloto, a fim de fabricar e analisar células de bateria de grande porte a partir desses novos materiais“.
– Dr. Joachim R. Binder, chefe do grupo de pesquisa: Tecnologia de Síntese e Pó Cerâmico no IAM-ESS no KIT
Apoiando a pesquisa de materiais para bateria HEMF no KIT
A Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF) é uma plataforma de pesquisa e desenvolvimento colaborativa em grande escala dedicada à síntese de materiais novos e aprimorados para aplicações de conversão e armazenamento de energia. No KIT, uma planta piloto de síntese para materiais de bateria está sendo montada como parte do projeto HEMF, para que a pesquisa de baterias possa agora ocorrer ao longo de toda a cadeia de valor no Centro de Tecnologia em Baterias do KIT.
Para a avaliação de materiais de bateria novos ou aprimorados com relação ao uso potencial em uma bateria de íon de lítio, são suficientes massas de amostra na faixa de alguns gramas; mas, se um material mostrar propriedades eletroquímicas promissoras, seu desempenho tem que ser validado com volumes maiores. A fim de fabricar quantidades maiores de materiais para baterias de células de íon de lítio de grande porte (até 10 kg) são necessários e, no KIT, uma planta de síntese de tamanho médio foi construída de forma que os dois MOBILE MINOR® sejam usados para produzir os materiais necessários para a bateria. Ele executa as seguintes tarefas:
- transferência da síntese de laboratório em pequena escala para processos escaláveis
- preparação de vários materiais para produzir células de bateria de íon de lítio de grande porte
- produção de alguns poucos materiais selecionados para a fabricação de sistemas de bateria
Os principais requisitos da planta são preservar a qualidade do pó durante o escalonamento e garantir a reprodutibilidade. A planta de síntese de tamanho médio permite um processo confiável para a síntese de materiais e um alto grau de flexibilidade durante a otimização de materiais e processos. Atualmente, doze membros motivados da equipe do IAM-ESS trabalham na seção de tecnologia de pó cerâmico e síntese para desenvolver avanços científicos voltados para a aplicação.
Para apoiar este importante trabalho, a GEA forneceu à equipe de cerâmica vários MINOR®, uma tecnologia de secagem estabelecida e de referência que é ideal para aplicações de pesquisa e desenvolvimento.
“Os novos sistemas para a planta piloto de síntese HEMF nos permitirão transferir estratégias de síntese para materiais de bateria promissores desde o laboratório até a escala da planta piloto, a fim de fabricar e analisar células de bateria de grande porte a partir desses novos materiais“, afirma o Dr. Binder. Além dessas unidades flexíveis de secagem por pulverização em escala piloto, a seção também emprega outras etapas do processo, como moagem, precipitação ou calcinação; em um futuro próximo, a produção completa de eletrodos também será implementada no Centro de Tecnologia em Baterias do KIT.
Além da pesquisa para a síntese de novos materiais de eletrodo, o cientista está investigando materiais ferroelétricos para aplicações de microondas para uso em sistemas modernos de comunicação e informação, bem como no campo de componentes eletrônicos impressos. Normalmente, uma unidade é usada para secar por pulverização os materiais ferroelétricos de titanato de bário e estrôncio (BST), enquanto as outras são utilizadas para materiais de íon de lítio ou íon de sódio. Com base em uma longa tradição de uso bem-sucedido do equipamento de secagem por pulverização da GEA, a flexibilidade adicional dos dois novos MOBILE MINOR® foi uma revolução. Se o projeto HEMF exigir uma taxa de transferência de alta capacidade, esses dois novos podem ser usados em paralelo.
O maior desafio neste projeto foi avaliar junto com a equipe do KIT os prós e os contras das várias soluções da GEA para atividades de P&D”.
- Gunter Philipp, gerente de vendas da GEA
“No final, porém, a flexibilidade combinada de dois sistemas independentes venceu a corrida e finalmente nos permitiu entregar o jubileu MOBILE MINOR® 2500 para atividades de P&D!” comentou Gunter Philipp. Oferecendo um design aprimorado, mas mantendo a mesma dimensão compacta, a secadora por pulverização MM-100 da GEA, equipada com o novo e altamente eficiente ciclone CEE (Cyclone Extra Efficiency/Eficiência Extra do Ciclone), é a mais nova adição à linha MOBILE MINOR®.
O ciclone CEE recentemente desenvolvido oferece uma maior eficiência de separação, o que aumenta o tanto rendimento disponível como reduz as emissões. Instalado em quase 2.400 fábricas em todo o mundo, a secadora por pulverização MOBILE MINOR® de aplicação cruzada é robusta, confiável e versátil. Ideal para aplicações de escalonamento de processo, também é fácil de usar, limpar e mover. O dispersor de gás universal para o atomizador rotativo, bem como o bico de dois fluidos, pode ser facilmente trocados por um dispersor de gás de baixa velocidade opcional - que tem um padrão de caudal semelhante aos dispersores de gás DPH usados em secadoras por pulverização maiores - para atomização do bico.
Por natureza, a secagem por pulverização é um processo contínuo e foi projetada para oferecer alta produtividade e qualidade de produto uniforme. A secagem por pulverização é uma técnica preferida por um número crescente de indústrias químicas e farmacêuticas para produzir melhores materiais, pós ou mesmo medicamentos. Essa tecnologia de secagem ultrarrápida e cuidadosa oferece modos exclusivos de definir as características da partícula.
A GEA oferece uma variedade de secadoras por pulverização projetadas especificamente para P&D, desenvolvimento de produtos e produção de pequeno volume. O MOBILE MINOR® fácil de operar usa uma roda atomizadora para distribuição de partículas, enquanto que, para instalações maiores, é usado o bico combinado GEA patenteado para produzir produtos de qualidade consistentemente alta e uniforme. Revestimentos cerâmicos ou contenção de Ni, Co podem ser tratados por esta configuração.
Qualquer que seja a atividade, a composição dos diversos materiais e o tamanho das partículas do pó pulverizado devem ser precisos e reprodutíveis, permitindo aos pesquisadores comparar e avaliar os diversos materiais. “Durante nossas investigações, usamos vários MOBILE MINOR® para produzir de forma reprodutível precursores homogêneos, materiais estruturados ou granulados para diferentes aplicações, o que tem sido significativo para nossos testes e pesquisas até agora”, acrescentou o Dr. Binder. Sempre pensando no futuro, a equipe já está trabalhando em sistemas de armazenamento de energia pós-lítio. Precisamos ficar atentos para observar os resultados obtidos a partir dessas investigações empolgantes.
