Yenilikçi akü materyalleri üretimi için yürütülen seramik araştırmalarında yüksek esneklik
03 May 2021
KIT’de AR&GE çalışmaları için 2015 yılında teslim edilmiş MOBILE MINOR®. Kaynak: Markus Breig, KIT.
Karlsruhe Institute of Technology (KIT - Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü) dahilinde faaliyet gösteren Applied Materials - Energy Storage Systems (IAM-ESS - Uygulamalı Materyaller - Enerji Depolama Sistemleri Enstitüsü), enerji depolaması için lityum iyon aküler (LIB’ler) ve lityum-sonrası sistemler gibi özgün materyallerin üretimini inceleyen araştırmalar yürütmektedir. Anahtar ilgi alanı, malzeme kimyasını ve tasarımını daha iyi anlamak ve geleceğe yönelik bileşenler ve sistemlerin yaratılmasını mümkün kılacak seramik prosesleri geliştirmektir.
Örneğin, IAM’nin en son çalışmalarından birisi, lityum ve manganez bakımından zengin katmanlı oksidin yapısal formasyon hususları ve voltaj düşmesi konusuna odaklanmaktadır. Kimya ve materyal bilimlerinde en iyi 50 yayım arasında yer alan çalışmalarının sonuçları Nature Communications 2019’da yayımlanmış olup, manganez bakımından zenginleştirilmiş lityum ek bileşiklerinin voltaj azalmasını ve bunların yapısal ve bileşimsel bağlılığını sistematik olarak araştırmışlardır.
1994 Yılında KIT’e (eski adıyla Forschungszentrum Karlsruhe) katılan Synthesis and Ceramic Powder Technology (Sentez ve Seramik Tozu Teknolojisi) araştırma grubunun başında yer alan Dr Binder’den önce bile, enstitü iki MOBILE MINOR® kullanmaktaydı; bunlardan birisi çeşitli araştırma alanlarında halen aktiftir. Birkaç yıl önce bir başka ünite daha eklediler ve kısa bir süre önce takımı iki yeni MOBILE MINOR® daha sipariş etti; bunlardan birisi yani Jubilee MOBILE MINOR®, GEA’nın AR&GE uygulamaları müşterilerine 2500’üncü satışını temsil etmektedir.
HEMF sentez pilot tesisi için yeni sistemler, bu özgün materyallerden büyük-ebatlı akü hücreleri üretebilmek ve analiz edebilmek için gelecek vaat eden akü materyallerini sentez stratejilerini laboratuvardan pilot tesis ölçeğine aktarabilmemizi sağlayacak."
– KIT / IAM-ESS’de Sentez ve Seramik Tozu Teknolojisi Araştırma grubu başkanı Dr. Joachim R. Binder
KIT’de HEMF akü materyalleri araştırmasına verilen destek
Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF - Helmholtz Enerji Materyalleri Dökümhanesi), kendisini enerji dönüşüm ve depolama uygulamaları için yeni ve geliştirilmiş materyaller sentezlemeye adamış büyük-ölçekli bir işbirlikçi araştırma ve geliştirme platformudur. KIT’de, akü materyallerine yönelik bir sentez pilot tesisi HEMF projesinin bir parçası olarak kurulmaktadır, böylelikle akü araştırması KIT Akü Teknolojisi Merkezinde tüm değer zinciri boyunca yer alabilecektir.
Bir lityum-iyon aküde potansiyel bir kullanım bakımından yeni veya geliştirilmiş akü materyallerinin değerlendirilmesi için, birkaç gramlık örnekler yeterli olmaktadır; fakat, eğer bir materyal gelecek vaat eden elektro-kimyasal özellikler sergiliyorsa, performansı daha büyük hacimler kullanılarak doğrulanmalıdır. Büyük ebatlı lityum iyon hücreleri içeren akü üretebilmek için, daha fazla akü materyali (en fazla 10 kg) gereklidir ve KIT’de, gerekli akü materyallerini üretmek için kullanılan iki MOBILE MINOR®’un yer alacağı bir orta-ölçekli sentez tesisi inşa edilmektedir. Bu, aşağıdaki görevleri yerine getirecektir:
- küçük-ölçekli laboratuvar sentezinden ölçeklendirilebilir proseslere aktarım
- büyük ebatlı lityum iyon akü hücreleri üretmek için gerekli birçok materyalin hazırlanması
- akü sistemlerinin yapımı için seçilmiş birkaç materyalin üretimi
Tesisin anahtar gereksinimleri, ölçek büyütme süresince toz kalitesinin korunması ve tekrarlanabilirliğin sağlanmasıdır. Orta-ölçekli sentez tesisi, hem materyal sentezi için güvenilir bir prosesi hem de materyal ve proses optimizasyonu esnasında yüksek bir esneklik derecesi sağlamaktadır. Şu anda, IAM-ESS’de iyi motive olmuş on iki takım üyesi, uygulama-esaslı bilimsel ilerlemeler sağlamak için sentez ve seramik tozu teknolojisi bölümünde çalışmaktadır.
Bu önemli görevi desteklemek için, GEA, araştırma ve geliştirme uygulamaları için ideal bir kurulu ve değerlendirme-ayarlı kurutma teknolojisi olan birçok MOBILE MINOR® ürününü seramik ekibine tedarik etmiştir.
HEMF sentez pilot tesisi için yeni sistemler, bu özgün materyallerden büyük-ebatlı akü hücreleri üretebilmek ve analiz edebilmek için gelecek vaat eden akü materyallerini sentez stratejilerini laboratuvardan pilot tesis ölçeğine aktarabilmemizi sağlayacak.” diyor Dr. Binder. Bu esnek, pilot-ölçekli sprey kurutma ünitelerine ek olarak, bölüm ayrıca, öğütme, çökeltme veya kalsinasyon gibi daha birçok proses adımını kullanmaktadır; yakın gelecekte, komple elektrot üretimi de KIT Akü Teknolojisi Merkezinde yapılacaktır.
Özgün elektrot materyalleri araştırmasının yanı sıra, bilim insanları, modern iletişim ve bilgi sistemlerinde ve baskılı elektronikler alanında kullanmak üzere mikrodalga uygulamalarına yönelik ferroelektrik materyaller de araştırmaktadır. Genelde, ferroelektrik, baryum stronsiyum titanat (BST) materyallerin sprey kurutması için bir ünite kullanılırken, diğerleri lityum-iyon veya natriyum-iyon materyaller için kullanılmaktadır. GEA sprey kurutma ekipmanlarının uzun süredir başarıyla kullanılmasının yanı sıra, iki yeni MOBILE MINOR®’ın sağladığı ek esneklik ezber bozan bir dönüm noktası oldu. HEMF projesinin yüksek kapasiteli çıktı gerektirmesi durumunda, iki yeni ünite daha paralel olarak kullanılabilmektedir.
Bu projedeki en büyük zorluk, KIT ekibi ile birlikte AR&GE faaliyetlerine yönelik çeşitli GEA çözümlerinin artılarını ve eksilerini değerlendirmekti."
– Gunter Philipp, GEA Satış Müdürü
“Yine de sonuçta, iki bağımsız sistemin sağladığı kombine esneklik yarışı kazandı ve nihayetinde AR&GE faaliyetleri için jubilee MOBILE MINOR® 2500 ünitesini teslim edebilmemizi sağladı!” diyor Gunter Philipp. Gelişmiş bir tasarım sunmasının yanı sıra aynı kompakt ayak izini muhafaza eden ve yeni ve yüksek verimli siklon CEE (Cyclone Extra Efficiency - Siklon Ekstra Verimi) ile donatılmış olan GEA’nın MM-100 sprey kurutucusu, MOBILE MINOR® ürün yelpazesinin en yeni üyesi olmuştur.
Yeni geliştirilen siklon CEE, daha yüksek bir separasyon verimi sunarak hem mevcut verimi artırmakta hem de emisyonları azaltmaktadır. Dünya genelinde yaklaşık 2400 tesise kurulan çapraz-uygulamalı MOBILE MINOR® sprey kurutucu dayanıklı, güvenilir ve çok-yönlüdür. Proses ölçeği büyütme uygulamaları için ideal olup, kullanımı, temizlemesi ve taşıması da kolaydır. Döner atomizör için evrensel gaz dağıtıcının yanı sıra iki-akışkan nozülü, nozül atomizasyonu için daha büyük sprey kurutucularda kullanılmakta olan DPH gaz dağıtıcıları ile benzer bir akış örneğine sahip opsiyonel bir düşük hızlı gaz dağıtıcı ile kolayca yer değiştirilebilmektedir.
Doğasından ötürü, sprey kurutma devamlı bir prosestir ve hem yüksek üretkenlik hem de üniform ürün kalitesi sağlamak üzere tasarlanmıştır. Sprey kurutma, giderek artan sayıda kimyasal ve farmasötik şirketi tarafından daha iyi materyaller, tozlar, hatta ilaçlar üretmek için tercih edilen bir tekniktir. Bu ultra-hızlı ve nazik kurutma teknolojisi, partikül karakteristiklerini belirlemek için eşsiz yollar sunmaktadır.
GEA, özellikle AR&GE, ürün geliştirme ve küçük hacimli üretim için tasarlanmış bir sprey kurutucu yelpazesi sunmaktadır. Kullanımı kolay olan MOBILE MINOR® partikül dağıtımı için bir atomizör çarkı kullanırken, daha büyük tesislerde, sürekli yüksek ve üniform ürün kalitesi elde etmek amacıyla patentli GEA Combi-Nozzle (Kombi-Nozül) ekipmanı kullanılmaktadır. Seramik kaplamalar veya Ni, Co içeriği, bu düzenekle yönetilebilmektedir.
Faaliyet ne olursa olsun, çeşitli materyallerin bileşimi ve spreylenen tozun partikül ebadı, araştırmacıların çeşitli materyalleri karşılaştırabilmesini ve değerlendirebilmesini sağlamak için hassas doğrulukta ve tekrarlanabilir olmalıdır. “Araştırmalarımız sırasında, farklı uygulamalar için homojen öncüler, yapısal materyaller veya granülleri tekrarlanabilir şekilde üretebilmek için birçok MOBILE MINOR® ünitesi kullandık, bu da şu ana kadar testlerimiz ve araştırmamız için önemliydi,” diye ekliyor Dr Binder. Daima geleceğe bakan ekip, hali hazırda lityum-sonrası enerji depolama sistemleri üzerinde de çalışmaktadır. Bu heyecan verici araştırmalardan elde edilen gelişmeleri görmek için takipte kalmaya devam etmemiz gerekiyor.
