Funcionalidade e problemas das tecnologias de mistura convencionais para a produção de lamas de baterias.
Um misturador planetário (ver Fig. 1) requer uma viscosidade elevada (vários milhões de centipoise) para gerar a tensão de cisalhamento necessária para a dispersão. Como a taxa de cisalhamento é determinada pela velocidade de rotação das pás de mistura, a tensão de cisalhamento possível aumenta com a viscosidade (lei da viscosidade de Newton: tensão de cisalhamento = viscosidade * taxa de cisalhamento).
Figura 1: Ilustração de um misturador planetário e de um dissolvente de alta velocidade (HSD), máquinas de mistura convencionais para pastas de elétrodos.
No entanto, com viscosidades muito elevadas, os motores necessários para o movimento requerem um elevado binário e capacidade. Como apenas uma fracção da capacidade está disponível para dispersão num determinado momento, uma grande parte é desperdiçada num processo ineficiente. Para manter esta tensão de cisalhamento, o solvente deve ser retido parcial ou totalmente, o que leva ao desgaste e à contaminação metálica proveniente dos pós do cátodo duro. Normalmente, o aglutinante é pré-dissolvido a temperaturas mais elevadas, arrefecido, filtrado e depois adicionado lentamente aos materiais ativos e condutores já secos e misturados, utilizando um solvente de alta velocidade (HSD, ver Figura 1), uma tecnologia ineficiente de molhagem de pós. Esta etapa é realizada no misturador planetário, onde também estão instalados os HSDs, pelo que a viscosidade diminui à medida que a quantidade de aglutinante aumenta. O misturador planetário e os HSDs devem realizar a mistura e a dispersão simultaneamente neste processo.
A produção de pasta para baterias utilizando estas tecnologias convencionais consome muita energia, é lenta e requer uma enorme quantidade de espaço. Atualmente, os misturadores planetários industriais conseguem atingir volumes de lote de cerca de 3.000 litros para a produção de pasta para elétrodos. No entanto, o tempo de mistura já ultrapassa as três horas, além de uma a três horas adicionais para limpeza entre lotes. Atender à crescente procura de baterias de armazenamento dificilmente será possível apenas com a ampliação linear da tecnologia tradicional de mistura em lotes.
Dispersão em milissegundos.
Neste contexto, a YSTRAL, especialista em tecnologia de mistura e dispersão, desenvolveu a plataforma de mistura YSTRAL Batt-TDS, que ultrapassa as limitações dos processos tradicionais, permitindo a produção de pastas para baterias com requisitos significativamente reduzidos de tempo, energia e espaço.
O conceito de mistura Batt-TDS para pastas de elétrodos consiste num processo de circulação com um misturador em linha, que introduz pós isentos de poeira num fluxo líquido e os dispersa, e um misturador 3D, que realiza a homogeneização rápida do lote no recipiente com baixo consumo de energia e baixa taxa de cisalhamento.
Neste processo, a dispersão no misturador em linha ocorre sob vácuo. Em vez de uma elevada viscosidade, o misturador em linha opera com uma taxa de cisalhamento significativamente mais elevada, resultando numa elevada tensão de cisalhamento, que é inversamente proporcional à folga submilimétrica entre um rotor rotativo e o estator. Nesta zona de dispersão são gerados fortes gradientes de velocidade, correspondentes à taxa de cisalhamento. A capacidade específica pode ser multiplicada por 10.000 e a tensão de cisalhamento pode ser concentrada em poucos milissegundos de tempo de dispersão na zona de mistura ativa, em vez de horas como nos misturadores convencionais.
Uma ampla janela de processo numa única instalação:
o misturador em linha YSTRAL Batt-TDS foi especificamente concebido para satisfazer os requisitos da produção de pasta para baterias, uma vez que os sistemas rotor-estator estão normalmente limitados a viscosidades inferiores às relevantes para as pastas de elétrodos. Com um grande diâmetro de estator, o misturador em linha foi concebido para lidar com viscosidades elevadas e controlar o tempo de exposição ao cisalhamento elevado, desacoplando a taxa de cisalhamento das taxas de fluxo controladas de pó e líquido.
Com a capacidade de gerar tensão de cisalhamento independente da viscosidade, se necessário, a separação suave, mas eficaz, dos aglomerados permite a dispersão do pó em tempo quase real numa vasta gama de viscosidades, incluindo inferiores às necessárias para uma dispersão eficaz num misturador planetário. Uma vantagem crucial deste conceito é que a taxa de cisalhamento pode ser ajustada às necessidades de processamento de um pó específico, permitindo o processamento otimizado da tensão de cisalhamento e da energia numa determinada sequência, sem a necessidade de dispositivos diferentes para cada tipo de pó.
Figura 2: YSTRAL Batt-TDS navi, uma unidade de 12 litros para formulação rápida e triagem de processos.
Da I&D à escala de produção:
A plataforma de mistura YSTRAL Batt-TDS está disponível em quatro tamanhos: desde uma unidade de 12 litros para formulação rápida e triagem de processos (Batt-TDS navi, ver Fig. 2), até um sistema de produção para processos de produção de lamas catódicas ou anódicas em larga escala com um volume de lote de 10.000 litros (Batt-TDS Pro supra, ver Fig. 3). Os resultados da escala de teste podem ser facilmente ampliados para a escala de produção.
Figura 3: Conceito de mistura Batt-TDS para pastas de elétrodos, incluindo um misturador em linha para indução e dispersão do pó num fluxo líquido, bem como um misturador 3D com baixa taxa de cisalhamento no recipiente para homogeneização em lote.
À escala de produção, a nova tecnologia atinge mais de 10 vezes a produtividade das tecnologias convencionais e o dobro da produtividade das extrusoras existentes. A Figura 4 mostra uma comparação entre misturadores planetários convencionais e os sistemas Batt-TDS Pro mid e supra para a produção de pasta de elétrodos à escala das fábricas atualmente planeadas (40 GWh/ano), ilustrada para baterias de NMC 622/grafite. Uma vez que as grandes fábricas de processamento de cátodos exigem controlo climático, a capacidade de produzir grandes quantidades de pasta num espaço compacto representa uma poupança potencial significativa em termos de consumo de energia e custos de construção.
Figura 4: Produtividade e requisitos de espaço dos misturadores planetários médios e supra da YSTRAL e dos sistemas Batt-TDS Pro para a produção de pasta de elétrodos à escala das fábricas atualmente planeadas, ilustrados para as baterias NMC 622/grafite.
A capacidade de ciclo a longo prazo aumentou 27%.
Testes conduzidos pelo Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) na Alemanha demonstraram que as células Batt-TDS apresentam uma morfologia condutiva melhorada e, consequentemente, uma menor resistência interna, resultando num desempenho superior em comparação com as células fabricadas de forma convencional. Para tal, os cátodos de NMC-622 foram revestidos a partir de suspensões produzidas separadamente em lotes de 12 a 15 litros utilizando um sistema Batt-TDS Navi, bem como com um misturador planetário para comparação. As células produzidas pelo KIT utilizando suspensões catódicas Batt-TDS e um ânodo idêntico apresentaram um aumento de 27% na capacidade de ciclo a longo prazo em comparação com os materiais misturados no misturador planetário. Não foi detectada qualquer contaminação por ferro (ICP-OES, limite de detecção: 8 ppm Fe) nas suspensões de NMC provenientes do processo Batt-TDS com lubrificação líquida.
Provavelmente a partir do final do ano, os fabricantes de baterias poderão realizar testes num sistema de I&D com o sistema de dispersão navi Batt-TDS da YSTRAL, no âmbito do projeto "Battery Cell Research Manufacturing (Fraunhofer FFB)" em Münster, Alemanha.
Para mais informações
YSTRAL Batt-TDS
Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) - Grupo de Investigação em Desenvolvimento de Eléctrodos
Instituto Fraunhofer para a Produção de Células de Bateria FFB
Autor: David Manke,
director de tecnologia e director-geral
, ystral gmbh maschinenbau + processtechnik
Sobre a ystral:
O fabricante alemão de máquinas e equipamentos ystral concebe e fabrica misturadores de pó, dispersores e humidificadores de alta eficiência, bem como sistemas de processo. As tecnologias da ystral são utilizadas em todo o mundo nas indústrias química, farmacêutica, de revestimentos e tintas, alimentar, de cuidados pessoais e de produtos para o lar, bem como na produção de baterias.
Saiba mais sobre a ystral em www.ystral.com
