Zerkleinerung und Verrundung für Batterien und Brennstoffzellen

Wie effizient elektrische Energie in Batterien und Brennstoffzellen gespeichert und bereitgestellt werden kann, hängt insbesondere von der Qualität der bei ihrer Herstellung eingesetzten Rohmaterialien ab.

Ein entscheidender Rohstoff, sowohl für die Anoden von Li-Ion Batterien als auch für Bipolarplatten in Brennstoffzellen, ist Kohlenstoff in Form von synthetischem Grafit auf der Basis von Petrolkoks oder natürlichem Grafit. Bei Li-Ion Batterien gewinnt auch Silizium, das derzeit zu 4 - 8 % beigemischt wird, um die Batteriekapazität zu erhöhen und die Ladezyklen zu verkürzen, an Bedeutung. Die Tendenz geht dahin, die Anteile von Silizium in der Anode zukünftig stark zu erhöhen, um die Batterien insbesondere für einen Einsatz in Elektrofahrzeugen (EV) zu optimieren und die heutige Li-Ion Batterie durch sogenannte Lithium-Silicium-Batterien zu ersetzen.

Für den Einsatz in Batterien oder Brennstoffzellen müssen die Rohmaterialien Grün-Koks, synthetisches oder natürliches Grafit und Silizium besondere Eigenschaften vorweisen. Entscheidende Faktoren bei der Zerkleinerung und Verrundung sind daher:

  • Feine aber steile Partikelgrößenverteilungen
  • Möglichst hohe Stampf- oder Klopfdichte
  • Hohe spezifische BET-Oberflächen
  • Möglichst runde Partikelform

Getrennte Zerkleinerung und Verrundung von Rohmaterialien für Batterien und Brennstoffzellen

Wenn die Zerkleinerung und Verrundung in einem Prozess erfolgt, kommt es zu großen Verlusten, die bis zu 70% des Rohmaterials ausmachen können. NEUMAN & ESSER Process Technology hat aus diesem Grund eine Lösung entwickelt, die den Vorgang der Zerkleinerung und die Verrundung voneinander trennt. Dabei werden die Prallsichtermühle eXtra (ICX) und die Verrundungsmühle ICS eingesetzt.  

Steile Korngrößenverteilungen und feinste Partikel mit der NEUMAN & ESSER ICX:

Um feine Partikel mit einer steilen Korngrößenverteilung, also einem geringen Anteil an sogenannten „Superfines“ herzustellen, lässt sich die NEUMAN & ESSER Prallsichtermühle ICX für Feinstanwendungen einsetzen. Durch die optimierte Luft- und Partikelführung sowie das hocheffiziente integrierte Sichtmodul wird das Material in dieser Mühle auf die gewünschte Feinheit vermahlen, aber nicht übermahlen. Für Batterieanwendungen liegen die Feinheitsanforderungen häufig im Bereich von 90% < 10-40 µm.

Hohe Stampfdichten und steile Partikelgrößenverteilungen durch Verrundung auf der NEUMAN & ESSER ICS:

Die Erhöhung der Energiedichte wird bei Grafit im Wesentlichen durch eine Erhöhung der Sphärizität der Partikel und damit eine höhere Packungsdichte erreicht.

Aufgrund der speziell auf die Anforderung abgestimmten Werkzeuge sowie des hocheffizienten integrierten Sichtmoduls für Feinstsichtung erlaubt die ICS die Verrundung von Partikeln in einem einzigen Schritt. Diese Verrundung ist sowohl für Petrolkoks vor der Grafitisierung als auch für synthetisches und natürliches Grafit möglich.

Der Verrundungsvorgang auf der NEA ICS zeichnet sich sowohl durch die hohen Stampfdichten > 1000 g/l als auch die hohen Ausbeuten von 70 - 85 % aus.

Darüber hinaus lassen sich durch Variation der Sichterradgeschwindigkeit unerwünschte Feinanteile gezielt aus dem Produkt entfernen. Damit lassen sich noch steilere Kornverteilungen und höhere Klopfdichten erzielen.

Anpassung der Korngrößenverteilung durch den NEUMAN & ESSER GRC:

Eine weitere Möglichkeit zur gezielten Veränderung einer Partikelgrößenverteilung im feinen und groben Bereich bietet der NEA GRC Leitringsichter. Dieser Sichter wird unter anderem dazu eingesetzt, um gezielt Feinstfraktionen zur Erzielung steiler Partikelgrößenverteilungen abzutrennen. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass die Feinstfraktion für andere Produkte wiedereingesetzt oder verschnitten werden kann.  Somit erhöht sich die Gesamtausbeute.

Petrolkoks (Vorstufe zu synthetischem Grafit)

Natürlicher Graphit


Energiewende durch den effizienten Einsatz von Batterien und Brennstoffzellen

Um dem Klimawandel durch eine massive Reduktion des CO2-Ausstosses entgegenzuwirken, vollziehen weltweit viele Länder eine Energiewende. Laut der International Renewable Energy Agency (IRENA) lassen sich durch erneuerbare Energien und Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz bis zu 90 % der benötigten CO2- Einsparungen realisieren.

Eine große Herausforderung bei der Energiewende stellt die effiziente Speicherung und die Bereitstellung der nicht immer durchgängig verfügbaren erneuerbaren Energien dar. Bei der Lösung dieser Aufgabe sind Batterien und die Wasserstoff-Brennstoffzelle von besonderer Bedeutung. 

Hersteller von Batterien und Brennstoffzellen wollen die Energiewende mit folgenden Maßnahmen vorantreiben:

  • Erhöhung der Energiedichte und Speicherkapazität
  • Optimierung der Ladezyklen
  • Effizienzsteigerung der Energieübertragung
  • Erhöhung der Lebensdauer