Исследования керамических материалов открывают широкие возможности для производства инновационных материалов для батарей
03 May 2021
Распылительная сушилка MOBILE MINOR®, поставленная в 2015 году Технологическому институту Карлсруэ (KIT) для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок (НИОКР). Источник: Маркус Брайг (Markus Breig), KIT.
Институт прикладных материалов — систем аккумулирования энергии (IAM-ESS) при Технологическом институте Карлсруэ (KIT) проводит исследования по созданию новых материалов для аккумулирования энергии, например, для литий-ионных аккумуляторов (LIB) и постлитиевых систем. Главным предметом исследования является более глубокое понимание химии материалов и возможностей проектирования, а также разработка керамических технологий, которые позволят создавать перспективные и инновационные компоненты и системы.
Например, одно из последних исследований IAM было посвящено структурным аспектам формирования и снижения напряжения в слоистых оксидах с высоким содержанием лития и марганца. Результаты их работы, вошедшей в рейтинг 50 лучших публикаций в области химии и материаловедения, опубликованных в журнале Nature Communications в 2019 году, были направлены на систематическое исследование спада напряжения в литиевых соединениях с высоким содержанием марганца и их структурной и композиционной зависимости.
Еще до того, как доктор Биндер, который сейчас является руководителем исследовательской группы, изучающей синтез и технологию керамических порошков, присоединился к Технологическому институту Карлсруэ (ранее называвшемуся Forschungszentrum Karlsruhe) в 1994 году, в институте уже использовали две распылительные сушилки MOBILE MINOR®, одна из которых до сих пор активно применяется в различных областях исследований. Несколько лет назад они начали использовать еще одну установку, а совсем недавно группа заказала две новые установки MOBILE MINOR®, одна из которых — это юбилейная распылительная сушилка MOBILE MINOR®, которая является 2500-й по счету из произведенных компанией GEA и поставленных ее клиентам для научно-исследовательских целей.
Новые системы для пилотной установки синтеза HEMF позволят нам перенести стратегии синтеза для перспективных материалов аккумуляторных батарей из лаборатории в масштабы опытной установки, чтобы можно было производить и анализировать крупногабаритные элементы батарей из этих новых материалов.»
– Доктор Йоахим Р. Биндер (Joachim R. Binder), руководитель исследовательской группы: Синтез и технология керамических порошков в IAM-ESS при Технологическом институте Карлсруэ (KIT)
Поддержка исследований материалов для батарей в институте KIT в рамках проекта HEMF
Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF) — это крупномасштабная совместная платформа для исследований и разработок, посвященная синтезу новых и улучшенных материалов для преобразования и аккумулирования энергии. В рамках проекта HEMF в Технологическом институте Карлсруэ (KIT) создается пилотная установка по синтезу материалов для аккумуляторных батарей, поэтому исследования в области аккумуляторных батарей теперь могут проводиться с задействованием всей производственно-технологической связи в Центре аккумуляторных технологий при институте KIT.
Для оценки новых или улучшенных материалов аккумуляторных батарей с точки зрения их потенциального использования в литий-ионных батареях достаточно образцов массой всего в несколько граммов. Но если материал продемонстрирует многообещающие электрохимические свойства, его характеристики должны быть подтверждены уже с задействованием более значительных объемов. Для производства крупногабаритных литий-ионных элементов аккумуляторных батарей требуются более крупные объемы материалов батарей (до 10 кг), поэтому в KIT была построена установка синтеза среднего размера, в которой для производства необходимых материалов батарей используются две распылительные сушилки MOBILE MINOR®. Она выполняет следующие задачи:
- переход от мелкомасштабного синтеза в лаборатории к масштабируемым процессам
- подготовка нескольких материалов для производства крупногабаритных литий-ионных элементов аккумуляторных батарей
- производство нескольких отдельных материалов для изготовления аккумуляторных систем
Основные требования к установке — сохранение качества порошкового материала при масштабировании и обеспечение воспроизводимости. Установка синтеза среднего размера обеспечивает высокую степень надежности процесса синтеза материалов и эксплуатационной гибкости при усовершенствовании материалов и оптимизации технологических процессов. В настоящее время двенадцать высокомотивированных членов исследовательской группы IAM-ESS работают в отделении синтеза и технологии керамических порошков. Они занимаются важными научными открытиями, ориентированными на конкретные сферы применения.
Для обеспечения высокой эффективности этой важной работы компания GEA поставила для этой группы исследователей несколько сушилок MOBILE MINOR®, в которых реализована апробированная, являющаяся эталонной технология сушки, идеально подходящая для таких исследований и разработок.
«Новые системы для пилотной установки синтеза HEMF позволят нам перенести стратегии синтеза для перспективных материалов аккумуляторных батарей из лаборатории в масштабы пилотной установки, чтобы можно было производить и анализировать крупногабаритные элементы батарей из этих новых материалов.» — заявил доктор Биндер. Помимо этих гибких в эксплуатации пилотных установок распылительной сушки в отделении также применяются и последующие технологические стадии, например, измельчение, осаждение или кальцинирование. В ближайшем будущем в Центре аккумуляторных технологий при Технологическом институте Карлсруэ будет также реализован полный цикл производства электродов.
Помимо исследований в области синтеза новых электродных проводниковых материалов ученые занимаются изучением сегнетоэлектрических веществ для микроволновых устройств с целью их использования в современных коммуникационных и информационных системах, а также в области печатной электроники. Обычно одна сушилка используется для распылительной сушки сегнетоэлектрических веществ , титаната бария-стронция (BST), в то время как другие используются для литий-ионных или натрий-ионных материалов. Учитывая давнюю традицию успешного использования оборудования распылительной сушки от GEA, дополнительная эксплуатационная гибкость двух новых сушилок MOBILE MINOR® стала решающим фактором. Если в рамках проекта HEMF потребуется более высокая пропускная способность, то две новые сушилки могут использоваться параллельно.
Самым сложным аспектом этого проекта была совместная с командой института KIT оценка плюсов и минусов различных решений GEA для научно-исследовательской деятельности.»
– Гюнтер Филипп (Gunter Philipp), менеджер по продажам компании GEA
«В конце концов, высокая эксплуатационная гибкость двух независимых систем стала решающим фактором, который позволил нам поставить юбилейную 2500-ю сушилку MOBILE MINOR® для научно-исследовательской деятельности!» — прокомментировал Гюнтер Филипп. Обладающая усовершенствованной конструкцией, но сохранившая при этом свои компактные размеры, распылительная сушилка MM-100 от GEA, оснащенная новым высокоэффективным циклоном CEE (Cyclone Extra Efficiency), является новейшим дополнением серии MOBILE MINOR®.
Заново разработанный циклонный сепаратор CEE обеспечивает более высокую эффективность разделения, что позволяет увеличить выход продукции и снизить выбросы. Установленная почти на 2400 предприятиях по всему миру, распылительная сушилка MOBILE MINOR® для многоцелевого применения является прочной, надежной и универсальной установкой. Идеально подходит для масштабирования технологических процессов, а также проста в использовании, очистке и транспортировке. Универсальный распределитель газового потока для центробежного распылителя с двухпоточной форсункой может быть легко заменен дополнительным низкоскоростным распределителем газового потока, который имеет режим потока, аналогичный режиму потока в распределителях газового потока DPH, используемых в крупных распылительных сушилках.
По своей сути сушка распылением является непрерывным процессом и призвана обеспечивать как высокую производительность, так стабильное качество продукции. Сушка распылением — это технология, которую предпочитает применять все большее число предприятий химической и фармацевтической промышленности для улучшения качества материалов, препаратов и даже лекарственных средств. Благодаря этой сверхбыстрой и щадящей технологии сушки можно получить уникальную возможность изменить характеристики частиц.
Компания GEA предлагает ассортимент распылительных сушилок, специально разработанных для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок (НИОКР), а также для опытного и мелкосерийного производства. В простой в эксплуатации сушилке MOBILE MINOR® для распределения частиц по размерам используется диск-распылитель, а в более крупных установках для обеспечения стабильно высокого и равномерного качества продукта используется запатентованная форсунка GEA Combi-Nozzle. С помощью этой установки можно работать с керамическими покрытиями и сохранением Ni, Co.
Независимо от вида деятельности, состав различных материалов и размер частиц распыляемого порошка должны быть точными и воспроизводимыми, что позволит исследователям сравнивать и оценивать различные материалы. «В ходе наших исследований мы использовали несколько сушилок MOBILE MINOR® для повторяемого получения однородных прекурсоров, структурированных материалов или гранул для различных применений, что сыграло важную роль в наших испытаниях и исследованиях» — добавил д-р Биндер. Всегда ставя перед собой амбициозные цели, команда уже работает и над постлитиевыми системами аккумулирования энергии. Мы будем следить за результатами этих захватывающих исследований.
