Entwickeln Sie mit der Glatt Pulversynthese kundenspezifische Anoden- und Kathodenwerkstoffe oder Feststoffelektrolyte
Sie möchten mit neuen und innovativen Rohstoffen die Batterietechnik vorantreiben? Kommerzielle Rohstoffe erfüllen Ihre Erwartungen in Bezug auf Kapazität und Langzeitstabilität nicht? Oder haben Sie einen vielversprechenden Werkstoffansatz, der aber nur im Labormaßstab funktioniert?
Die Glatt Pulversynthese ist ein vielseitiges Werkzeug für die Entwicklung und industrielle Fertigung von innovativen Batteriewerkstoffen. Die hohe Flexibilität dieser Technologie und die besonderen Bedingungen im pulsierenden Heißgasstrom lassen Sie in nur einem Verfahrensschritt Anoden- und Kathodenwerkstoffe und Feststoffelektrolyte herstellen und veredeln.
Zur Erzeugung eines homogenen Pulvers wird aus den Ausgangsrohstoffen eine stöchiometrische Mischung erzeugt und getrocknet. Durch diesen Ansatz lassen sich selbst geringste Mengen von Dotierungselementen homogen in Ihr Endprodukt einbringen. Damit lassen sich die Leistungsmerkmale wie Kapazität und Ladeverhalten moderner Batterwerkstoffe qualitätssteigernd beeinflussen.
Zum Schutz vor aggressiven Elektrolyten lässt sich die Oberfläche der Partikel Ihrer Anoden- oder Kathodenwerkstoffe beschichten. Für solch ein Core-Shell-Partikel wird das Schichtmaterial chemisch gelöst und zusammen mit dem ungelösten Kernmaterial eine Suspension erzeugt. Diese wird anschließend in einen pulsierenden Heißgasstrom eingesprüht und das Coating-Material trocknet auf den Kern. Bei Prozesstemperaturen von Raumtemperatur bis hin zu 1300 °C bietet sich eine beinahe unerschöpfliche Auswahl an Kombinationen zwischen Schicht- und Kernmaterial.
Veredelung von Batterie-Ausgangswerkstoffen mittels Glatt Wirbelschicht-Technologie
Möchten Sie die Homogenität Ihrer Batterie-Ausgangsmaterialien verbessern? Ist die Verarbeitbarkeit der verwendeten Rohstoffe durch Entmischung, Staubentwicklung oder schlechte Rieselfähigkeit eingeschränkt?
Durch Agglomeration in der Wirbelschicht kann die Verarbeitbarkeit von Pulvermischungen verbessert werden, weil eine Entmischung in nachfolgenden Verarbeitungsschritten unterbunden werden kann. Durch das Besprühen mit einer Binderlösung werden feine Partikel entweder zu größeren Körnern zusammengefügt. Oder, wenn die Rohstoffe in sehr unterschiedlichen Primärpartikelgrößen vorliegen, wird das feinere Pulver zusammen mit dem Binder aufgesprüht und so, auf die gröberen Partikel aufgebracht. In beiden Fällen wird die Homogenität und Rieselfähigkeit der prozessierten Pulver verbessert und eine Staubentwicklung furch die Feinfraktion unterbunden.
Wirbelschichttechnologie bietet jedoch noch weitere Möglichkeiten, um Ihre Rohstoffe oder deren Prekursoren speziell auf Ihre Ansprüche anzupassen. Je nach Aufbau und Prozessführung kann dieselbe Anlagentechnik auch genutzt werden, um Rohstoffe zu trocknen, oder mit einer funktionalen oder schützenden Schicht zu versehen. Sprühgranulation ermöglicht die Herstellung von kompakten und gut fließfähigen Granulaten.
Alle diese Granulate können – soweit erforderlich – im Anschluss in einem Ofen thermisch nachbehandelt werden, oder – unter Nutzung der höheren Wärme- und Stofftransferraten – in einer Hochtemperatur-Wirbelschicht-Anlage.
Entwickeln und testen Sie Ihr Material im Glatt Technologiezentrum in Weimar
Wir unterstützen Sie gerne bei der Realisierung ihrer Produktinnovationen. Im Glatt Technologiezentrum in Weimar ermitteln wir mit Ihnen in Machbarkeitsversuchen zur Produktentwicklung die optimalen Prozessbedingungen für Ihr Produkt. Dafür stehen verschiedene Laboranlagen und eine umfassende Analytik zur Verfügung. Auf unseren Pilotanlagen optimieren wir den Prozess und skalieren sicher in einen stabilen und ökonomischen Produktionsmaßstab. Die Ergebnisse hieraus bilden die Grundlage für die Planung und Konstruktion und die Errichtung Ihrer Anlage, maßgeschneidert auf Ihre Anforderungen. Als Alternative zur eigenen Prozesstechnologie bieten wir Ihnen das Outsourcing Ihrer Produktion mittels Lohnfertigung bei Glatt.
Fallbeispiel Kathodenmaterial
Die Kathode nimmt fast die Hälfte des Volumens der Batterie in Anspruch und treibt deren Preis in die Höhe. Daher ist die Entwicklung von kostengünstigen, hocheffizienten und langlebigen Materialien von höchster Bedeutung.
Die Struktur des LMNO-Pulvers kann durch die Syntheseparameter leicht verändert werden. Die Stöchiometrie erlaubt die leichte Anpassung der Pulvereigenschaften.
Der Weg zur massentauglichen und preisgünstigen Herstellung von Lithium-Nickel-Manganoxid, LNMO führt zur Glatt Pulversynthese. Durch die besonderen, im Synthesereaktor vorherrschenden Bedingungen können gezielte Strukturen erzeugt und optimiert werden. Materialien der nächsten Generation können mit dieser Technologie synthetisiert, modifiziert und auch in größeren Mengen kontinuierlich produziert werden.
Die Partikelgröße und die Kristallstruktur können über die Anlagenparameter Temperatur, Schwingungsfrequenz und -amplitude gezielt beeinflusst werden. In Machbarkeitsstudien wurden bereits sehr feine Partikel (kleiner 5 µm) mit den charakteristischen Oktaeder-Strukturen erzeugt. Auch gezielte Dotierungen sind einfach generierbar. Diese ermöglichen eine weitere Erhöhung der Kapazität und verbessern die Effizienz für schnelles Laden und Entladen. Die Synthese von Kathodenmaterialien wie LNMO erfolgt in einem Prozessschritt und basiert dabei auf günstigen Rohstoffen. Hierdurch wird ein Up-Scaling und damit der zukünftige großflächige Einsatz erst möglich.
Kohlenstoff-Silizium-Anodenmaterial hergestellt durch Glatt Pulversynthese
Fallbeispiel Anodenmaterial auf Silizium-Basis
Anoden aus Kohlenstoff haben in der Vergangenheit den Markt dominiert. Der Drang zu höheren Kapazitäten zwingt die Hersteller allerdings zunehmend zu alternativen Lösungen. Gerade Silizium ist aufgrund seiner guten Verfügbarkeit und hohen spezifischen Kapazität (Li15Si4 3600 mAh/g vs. LiC6 372 mAh/g) prädestiniert für diesen Einsatz [1]. Technische Herausforderung bei Silizium ist aber die auftretende Volumenänderung (Li15Si4 320% vs LiC6 10%) während des Lade-/Entlade-Zyklus [1], die auf Dauer zum Bruch der Partikel, Kontaktverlust zum Stromableiter und zu einem fortlaufenden Abtrag der schützenden Grenzschicht zwischen Silizium und Elektrolyt führt.
[1] A. Mukhopadhyay et al. Deformation and stress in electrode materials for Li-ion batteries; Progress in Materials Science, 63, 2014, 58-116.
Ein erfolgversprechender Ansatz ist deshalb die Verwendung von Silizium-Kohlenstoff-Verbundmaterialien: Der Kohlenstoff kompensiert die Volumenänderung des Siliziums und schützt es als elastische Schicht vor dem direkten Kontakt mit dem Elektrolyten. Siliziumpartikel, gelöster organischer Binder und gegebenenfalls weitere Additive werden in einer Suspension aufbereitet und im Synthesereaktor versprüht. Je nach Prozessführung können die Siliziumpartikel agglomeriert werden oder benetzen als gelöster Stoff die Partikel und bilden beim Trocknen eine Schicht aus. Bei Bedarf kann über ein entsprechendes Temperaturregime die Binder- oder Schichtphase im selben Prozessschritt auch pyrolysiert werden.
Neue Batteriematerialien durch Pulversynthese: gesinterte LLZO-Membran
Fallbeispiel Oxydische Feststoffelektrolyte
Der Trend bei Batterien geht zunehmend in Richtung von Feststoffbatterien. Der schwierigste Teil dabei ist die Entwicklung eines festen Elektrolyten, der mit der Ionenleitung von flüssigen Elektrolyten konkurrieren kann. Dazu werden momentan zwei Hauptkonzepte verfolgt, die entweder oxydische oder sulfidische Ionenleiter umfassen.
Die Glatt Pulversynthese findet Anwendung im Rahmen verschiedener Projekte für die Entwicklung von oxydischen Feststoffelektrolyten, insbesodere von Lithium-Lanthan-Zirkon-Oxid, LLZO, und dotierten Varianten davon. Das primäre Ziel besteht in Untersuchungen zur Vereinfachung der Synthese, der Senkung der Herstellkosten sowie der Erarbeitung eines effektiven Konzeptes zum Up-Scaling.
In Folge wurden LLZO-Lösungen auf Basis kostengünstiger Rohstoffe mit Hilfe der Pulversynthese umgesetzt. Die Einstellung der Partikelgröße, Schüttdichte und Kristallstruktur erfolgte durch Anpassung verschiedener Parameter. Die Weiterverarbeitbarkeit der Pulver zu keramischen Folien wurde ebenfalls nachgewiesen. Konventionelle Prozesse zur Herstellung von LLZO liegen üblicherweise im Gramm- oder Kilogramm-Bereich. Der Vorteil der beschriebenen Technologie besteht darin, dass sich der Prozess leicht auf Produktionsmaßstäbe hochskalieren lässt.
Fallbeispiel Beschichtete Kathodenwerkstoffe zur Erhöhung der Langzeitstabilität
Im Einsatz sind Kathodenwerkstoffe einem ständigen Angriff durch den Elektrolyten ausgesetzt. Ein neuartiger Ansatz hierzu ist die Beschichtung der Kathodenwerkstoffe, um sie vor Auflösung oder anderen unerwünschten Reaktionen bei Kontakt mit flüssigen oder festen Elektrolyten zu schützen.
EDX-Mapping eines Li3PO4-Coatings auf NMC 622 anhand der Tracer-Elemente Phosphor (Coating) und Mangan (Kern)
Die Glatt Pulversynthese eignet sich hervorragend zur Beschichten feiner Pulverwerkstoffe als Ausgangsmaterial für Lithium-Ionenbatterien. Eine schnelle Leistungsverminderung von hochleistungsfähigen Batterien kann so verhindert und die Haltbarkeit der Kathoden nachweislich erhöht werden.
Link zu: Mit der Pulversynthese zum neuen Batteriewerkstoff
Copyright: Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
Link zu: Mit der Pulversynthese zum neuen Batteriewerkstoff
Die Glatt Pulversynthese stellt ein neuartiges Verfahren zur Herstellung, Aktivierung und Beschichtung von Batteriematerialien dar. Durch den Einsatz eines pulsierenden Heißgasstroms mit regulierbarer Frequenz und Amplitude lassen sich Pulver höchster Qualität erzeugen.
Während die Akku-Kapazität von Computern und mobilen Endgeräten ein akzeptables Maß erreicht hat, wird insbesondere bei der Elektromobilität die Erwartungshaltung der Kunden in Bezug auf Reichweite und Ladegeschwindigkeit enttäuscht. So entwickelt sich die Suche nach Lösungen zum Beheben dieser Defizite aktuell zum Innovationstreiber für neue Batteriewerkstoffe. Mit der Glatt Pulversynthese steht eine neuartige Zukunftstechnologie zur Verfügung, die bereits in der Produktion, Aktivierung und Beschichtung neuartiger Batteriewerkstoffe zum Einsatz kommt.
» Autoren: Dr.-Ing. Viktor Drescher, Dr. rer. nat. Thomas Jähnert, Dr. rer. nat. Johannes Buchheim, beide Glatt Ingenieurtechnik GmbH
» im Original veröffentlicht im Fachmagazin ‚Keramische Zeitschrift‘, Ausgabe 3/2021, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
Link zu: Comparison of Electrochemical Degradation for Spray Dried and Pulse Gas Dried LiNi0.5Mn1.5O4
Veröffentlichter Fachbeitrag: Vergleich der elektrochemischen Degradation für sprühgetrocknetes und pulsgasgetrocknetes LiNi0,5Mn1,5O4
Für die Kommerzialisierung von Kathodenmaterialien der nächsten Generation müssen viele verschiedene Synthesemethoden erforscht und hinsichtlich der erreichbaren elektrochemischen Eigenschaften der Materialien einerseits und der Skalierbarkeit des Prozesses andererseits bewertet werden.
Für das Hochspannungskathodenmaterial LiNi0.5Mn1.5O4 muss insbesondere die Degradation des Materials während des Zyklus für verschiedene Maßstäbe und Techniken untersucht werden. LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) wurde mit zwei verschiedenen Methoden in unterschiedlichen Maßstäben synthetisiert: Sprühtrocknung im Labormaßstab und Gaspulstrocknung im Pilotmaßstab.
(Fachbeitrag in englischer Sprache)
» im Original veröffentlicht in Journal of The Electrochemical Society, 166 (13) A2860-A2869 (2019)
Weiterführende Informationen zu Applikationen der Glatt Pulversynthese finden Sie auch in folgenden Veröffentlichungen:
Link zu: Glatt erweitert Technologiezentrum um neue Laboranlage für Pulversynthese
Copyright: Glatt
März 2022: Glatt erweitert Technologiezentrum um neue Laboranlage für Pulversynthese
Link zu: Glatt Synthese-Reaktor ProAPP® Lab als die weltweit erste flammenlose Hochtemperatur-Pulversynthese-Anlage beim Fraunhofer IKTS für hochreine oxidische Nanopulver
Copyright: Glatt
Juni 2021: Fraunhofer IKTS betreibt weltweit ersten flammenlosen Hochtemperatur-Pulversynthese-Reaktor
Link zu: Pulversynthese mit Puls: Beschichtetes Zirkonoxid für die Medizintechnik
Copyright: Hüthig GmbH
Veröffentlichter Fachbeitrag: ‚Pulversynthese mit Plus: Beschichtetes Zirkonoxid für die Medizintechnik‘ PDF, deutsch
Link zu: Glatt Pulversynthese – Zukunftsweisendes Verfahren für die Partikelsynthese
Copyright: Göller Verlag
Veröffentlichter Fachbeitrag: ‚Zukunftsweisendes Verfahren für die Partikelsynthese‘, PDF, deutsch
Link zu: Mattes aus dem Heißgasstrom – Mattierungsmittel mit Glatt Pulversynthese
Copyright: Vincentz Network GmbH & Co. KG
Veröffentlichter Fachbeitrag: ‚Mattes aus dem Heißgasstrom – Mattierungsmittel durch Sprühkalzination‘ PDF, deutsch
Top-Thema
Copyright: GlattAktuelles
Copyright: CRUProduktdesign für maßgeschneiderte Spezialdünger. Phosphates 27. 02. – 01. 03.2023 in IstanbulFebruar 2, 2023 - 2:55 pm
Copyright: Thomas MüllerBodo Ramelow, Ministerpräsident des Freistaates Thüringen, zu Gast bei Glatt IngenieurtechnikJanuar 14, 2023 - 4:51 pm
Copyright: Springer Fachmedien Wiesbaden GmbHKeramische Rohstoffe aus dem pulsierenden HeißgasstromDezember 16, 2022 - 11:27 am
Ausschnitt aus der MDR – Sendung „ECHT“
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