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La miscelazione dei Battery-Slurries con le impastatrici planetarie NETZSCH riduce il tempo di miscelazione da ore a minuti

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Il processo di miscelazione è la prima fase della produzione di batterie agli ioni di litio. È fondamentale per la qualità della batteria e ha un impatto significativo sulle prestazioni della cella.

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Il processo di miscelazione è la prima fase della produzione di batterie agli ioni di litio. È fondamentale per la qualità della batteria e ha un impatto significativo sulle prestazioni della cella. Nel processo di miscelazione, il materiale attivo, il legante e gli additivi conduttivi vengono mescolati con un agente di dispersione, come acqua o solvente, per formare la batteria-slurry.

Gli strumenti di miscelazione devono distribuire le particelle in modo omogeneo nell'intero volume. Questi strumenti di miscelazione devono soddisfare anche altri importanti requisiti: rompere potenziali agglomerati, bagnare e rivestire le particelle ed evitare l'accumulo locale di materiale a livello microscopico.

Attualmente, molti miscelatori planetari convenzionali sono utilizzati per miscelare gli impasti delle batterie per catodi e anodi. Utilizzano geometrie simili e non ci sono quasi differenze significative nella progettazione di queste macchine.

Ma l'esecuzione di questi miscelatori è il metodo migliore e più efficiente per la miscelazione delle masse di batterie?

In un impianto di miscelazione di batterie, la miscelazione si divide in linea catodica e linea anodica. La miscelazione più critica è quella dell'anodo, a causa della maggiore viscosità e del potenziale danneggiamento della struttura del legante. I tempi di miscelazione attuali sono compresi tra 4 e 6 ore. Durante una fase di convalida, un potenziale cliente ha condiviso le proprie esperienze con un fornitore asiatico di miscelatori, che aveva un tempo di miscelazione totale di 270 minuti (4,5 ore).

Durante i test nel laboratorio NETZSCH, il tempo di miscelazione è stato significativamente ridotto di un fattore 2. I miscelatori planetari NETZSCH (PMH) hanno miscelato lo slurry in 120 minuti e hanno fornito prestazioni di qualità ancora migliore. Allora, perché i mescolatori planetari NETZSCH erano così migliori e come funziona un mescolatore planetario?

Principio di funzionamento

Il PMH (Planetary Mixer High Speed) NETZSCH funziona con un meccanismo di ingranaggi planetari. Gli utensili di miscelazione auto-rotanti, a bassa velocità come traversa assiale e ad alta velocità come utensile a farfalla, eseguono un movimento rotatorio in un serbatoio fermo e attraversano l'intero prodotto di miscelazione.

L'aumento del diametro degli utensili di miscelazione aumenta drasticamente la potenza assorbita, consentendo una miscelazione più rapida, efficiente e di qualità. Gli utensili NETZSCH PMH hanno un diametro molto più grande rispetto ai mescolatori planetari convenzionali.

Non solo il diametro, ma anche il design è fondamentale. I mescolatori planetari tradizionali possono danneggiare il legante a causa delle elevate forze di taglio del disco di dispersione. Gli utensili di miscelazione NETZSCH sono progettati appositamente per ridurre la forza di taglio e generare un impasto più morbido e migliore. Ciò consente all'utensile di miscelazione di funzionare a velocità più elevate senza danneggiare la struttura cruciale del legante dell'impasto della batteria.

Un esempio pratico di tecniche di lavorazione avanzate si può osservare nella preparazione dell'impasto per anodi a base d'acqua. Questo impasto incorpora carbossimetilcellulosa (CMC), caratterizzata da lunghe catene polimeriche e da un'elevata massa molecolare. I miscelatori planetari convenzionali, dotati di dischi di dispersione ad alto coefficiente di taglio, spesso inducono uno stress meccanico che frammenta le catene di CMC. Questa frammentazione provoca variazioni indesiderate della viscosità, come l'ispessimento per taglio, rendendo l'impasto inadatto ai successivi processi di rivestimento.

Al contrario, gli strumenti di miscelazione NETZSCH forniscono un'azione di impastamento più delicata ed efficiente. Questo approccio previene la degradazione delle catene di CMC, garantendo una viscosità costante e facilitando una miscelazione uniforme che porta a un rivestimento uniforme del materiale attivo. Di conseguenza, questo metodo aumenta la densità energetica dell'elettrodo, contribuendo allo sviluppo di batterie ad alte prestazioni. Queste batterie presentano un'autonomia maggiore e una capacità di ricarica più rapida, sottolineando l'importanza di una preparazione ottimizzata degli impasti per il progresso della tecnologia delle batterie.

Complessivamente, l'aumento di potenza si traduce in tempi di miscelazione significativamente più brevi, pari a 120 minuti per gli impasti anodici. Per la miscelazione dei catodi, che richiede in genere 480 minuti (8 ore), la miscelazione NETZSCH riduce il tempo a 180 minuti (3 ore).

Come misurare la qualità?

Oltre a tempi di miscelazione più brevi, anche la qualità è migliorata. Ma come si misura la qualità nella miscelazione dei liquami? La fase successiva e importante dopo la produzione di slurry è il rivestimento. Per il processo di rivestimento, la fluidità degli impasti è fondamentale per ottenere un film omogeneo e lavorabile sul foglio di collettore corrente. Ciò può essere determinato dalla viscosità.

La Business Unit NETZSCH Analyzing & Testing misura il comportamento del flusso con il reometro rotazionale Kinexus. La dipendenza della viscosità da diverse velocità di taglio è importante e fornisce informazioni significative sulla qualità. Un fattore chiave è la stabilità dello slurry prodotto. Durante la produzione possono verificarsi tempi di attesa e l'alimentazione diretta della torre di verniciatura non è sempre garantita. È importante avere uno slurry che non sedimenti rapidamente e che abbia un tempo di stoccaggio più lungo, indicato da una viscosità più elevata a velocità di taglio inferiori. Ciò è dovuto a una migliore bagnatura e dispersione delle particelle, grazie a un maggiore apporto di energia dovuto al design unico. Inoltre, il processo di rivestimento migliora, produce bordi più netti ed evita le sbavature.

Un altro fattore importante è la lavorabilità e la portata. L'impasto viene trasferito attraverso uno stampo a fessura alla lamina del collettore. Per evitare l'intasamento, è importante l'effetto di assottigliamento del taglio. La fustella genera elevate velocità di taglio e per un processo di rivestimento rapido è necessaria una forte pendenza della viscosità. È importante avere un'elevata pendenza della curva di viscosità, che si traduce in una viscosità più bassa a velocità di taglio più elevate.

Sintesi

In conclusione, i miscelatori planetari NETZSCH migliorano significativamente l'efficienza e la qualità della miscelazione degli impasti delle batterie agli ioni di litio grazie a un design innovativo e a una potenza di alimentazione ottimizzata. Tuttavia, il PMH non si limita a una singola tecnologia. Il suo design speciale e l'elevata flessibilità nel cambiare gli strumenti di miscelazione consentono di utilizzare il miscelatore planetario per diverse altre applicazioni nell'industria delle batterie, garantendo la sicurezza del processo. Un unico miscelatore o impianto può coprire diverse applicazioni, tra cui:

- Miscelazione di batterie allo stato solido con viscosità elevate

- Produzione di materiale termoisolante per moduli di batterie

- Miscelazione rapida di elettrodi di batterie a secco senza solvente, con cambio flessibile delle geometrie

- batterie agli ioni di sodio