„Drei oder zehn Rohstoffe: Das spielt keine Rolle“

Autor: Die Redaktion

Veröffentlicht am 28.01.2021

Derzeit gibt es fast wöchentlich neue Ankündigungen zu weltweit entstehenden Gigafabriken. Damit ein solches Werk auch wirklich auf eine produzierte Jahreskapazität von mehreren Gigawattstunden kommt, gilt es, Lithium-Ionen-Batterien effizient herzustellen. Mit den üblichen Planetenmischern geraten Hersteller vermehrt in Platznot. Grund dafür sind die langen Mischzeiten und die sich dadurch ergebende erhöhte Anzahl von Batchmischern. Das deutsche Unternehmen „Maschinenfabrik Gustav Eirich“ besitzt eine Technologie, die dieses Problem lösen kann. Welche das ist, erklärt Verfahrensexperte Dr. Stefan Gerl, „Head of Process Technology Test Center“ des Unternehmens, im Interview.

Battery-News.de: Wie lange ist das Unternehmen Eirich auf dem Feld der Batteriezellfertigung schon aktiv – und wie ist dieser Bereich in den vergangenen Jahren gewachsen?
Dr. Stefan Gerl: Wir beschäftigen uns bereits seit dem Jahr 2009 mit der Produktion von Batteriezellen. Als Marktführer im Bereich der Mischtechnik für Blei-Säure-Starterbatterien erschien es uns folgerichtig, dass wir uns den Lithium-Ionen-Batterien widmen. Es schwappte seinerzeit gerade die erste LiB-Welle von Asien nach Europa. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung legte die Fördermaßnahme „Lithium-Ionen-Batterie 2015“ auf und stellte erhebliche Fördermittel für Hochschulen und Forschungseinrichtungen zur Verfügung. Auch wurden erste, nach heutigem Maßstab eher kleine, Gigafabriken gebaut. Sie waren ihrer Zeit weit voraus. Als in Europa dann keines der angekündigten Großprojekte zeitnah umgesetzt wurde, orientierten wir uns ab 2013 Richtung Asien – und das mit Erfolg. Wir verkauften Dutzende große Mischer in den Upstream-Prozess zur Herstellung von Kathodenmaterial. Gemeinsame Versuche am MEET-Batterieforschungszentrum überzeugten 2016 dann den ersten europäischen Kunden. Er änderte daraufhin seine Pläne und installierte in seiner großtechnischen Produktionsanlage statt eines Planetenmischers einen Eirich-Mischer. Seit ihrer Inbetriebnahme 2017 läuft die Anlage mit steigender Auslastung. Ein Jahr später erhielten wir den Zuschlag für zwei Produktionslinien für Elektroden-Slurries am UKBIC. Die britische Forschungsfabrik im Gigawattstundenbereich ist heute sicherlich jedem bekannt – sie wurde im Juli 2021 offiziell eingeweiht. Gerade installieren wir bei einem asiatischen Kunden die erste Full-Scale-Gigafactory mit kontinuierlicher Coater-Beschickung – also in Kombination mit dem „ContiFeeder“-Prozess. Die Anlage mit einer Slurry-Leistung von knapp 1.000 Litern pro Stunde soll im Februar 2022 in Betrieb gehen. Wir sind optimistisch, dass sich das Geschäftsfeld auch bei Eirich sehr gut weiterentwickelt. Momentan haben wir weitere Anlagen für Gigafabriken nach Asien verkauft, und in Europa stehen wir mit potenziellen Auftraggebern in aussichtsreichen Gesprächen.

„‚Kontinuierliche Herstellprozesse‘ hören sich smart und einfach an, sind aber komplex und in ihrer Flexibilität und Endproduktqualität begrenzter als man glauben mag.“

Battery-News.de: Derzeit hört man vermehrt von „kontinuierlichen Mischprozessen“ in der Batteriezellproduktion. Dieser Mischprozess unterscheidet sich in der Theorie vom üblichen Batch-Prozess. Wie stehen Sie und Ihr Unternehmen dazu?
Gerl: „Kontinuierliche Herstellprozesse“ hören sich smart und einfach an, sind aber komplex und in ihrer Flexibilität und Endproduktqualität begrenzter als man glauben mag. Was den Betreiber einer Produktionsanlage für Lithium-Ionen-Batterien interessiert, ist die kontinuierliche Bereitstellung von qualitätsgesichertem Slurry. Sie erfolgt derzeit sowohl bei Anlagenkonzepten mit kontinuierlichen Mischprozessen als auch beim Batch-weisen Mischen im Eirich-Mischer exakt gleich, nämlich aus nachgeschalteten Tanks heraus. Insofern gibt es da erst mal gar keinen Unterschied. Vergleicht man sie aber mit Planetenmischern, schaffen es kontinuierliche Verfahren, sowohl den Platzbedarf als auch den Energiebedarf für die Slurry-Herstellung deutlich zu senken. In ihrer Durchsatzleistung sind sie aber immer noch relativ stark begrenzt, und die verwendeten Extruder sind sehr teuer. Außerdem gehen mit diesen kontinuierlichen Mischern besonders hohe Anforderungen an die Dosiertechnik einher. Das treibt den Preis für diese Anlagenteile zusätzlich nach oben. Wir erleben die Doppelwellenextruder als relativ unflexibel.

So ist der „Eirich MixSolver“ aufgebaut: Der drehende Mischbehälter sorgt für den Materialtransport (1). Das Mischwerkzeug mit einer variablen Geschwindigkeit von einem bis 30 Metern pro Sekunde dient dem Mischen, Kneten und Dispergieren (2). Zu den weiteren Komponenten der Anlage zählen der stationäre Boden-Wand-Abstreifer (3), die Doppelwand des Mischbehälters für den temperaturgeführten Prozess (4), das Druckgehäuse für die Entgasung der Slurries unter Vakuum mit der „EvacMix“-Technologie (5) sowie das speziell konzipierte „Discharging Gate“ oder Absaugsystem (6) und das Hochdruck-Reinigungssystem (7).

Battery-News.de: In welcher Hinsicht?
Gerl: Mit Blick auf die Anpassung an andere Rohstoffe und Rezepturen. Eine Änderung der Zellchemie bringt oft eine aufwendige Änderung der Schneckengeometrie mit sich, weil der Mischablauf durch die Geometrie der Mischelemente und die Länge der Zonen auf der Werkzeugwelle abgebildet werden muss. Wir hören mitunter auch, dass Kunden den Verschleiß der Mischelemente beklagen, insbesondere bei den abrasiven Kathodenmaterialien und siliziumdotierten Anoden. Das macht einen stabilen Dauerbetrieb schwierig. Hinzu kommt, dass kontinuierlichen Mischern Batch-Aufbereitungsanlagen vorgeschaltet sind, die der Herstellung einer Binderlösung oder Binder-/Leitruß-Suspension dienen. Bei komplexeren Feststoffzusammensetzungen sind Trockenstoffmischer zur Vorhomogenisierung zwischengeschaltet. Außerdem ist eine vollständige Entgasung während des kontinuierlichen Mischprozesses aufgrund der kurzen Verweilzeit in der Entgasungszone und des limitierten Entgasungsdrucks von einigen hundert Millibar kaum möglich. Wie gesagt: Dafür und zur Überbrückung von unvorhergesehenen kurzen Stillständen in der Mischanlage ist kontinuierlichen Mischern immer eine Batch-weise betriebene Tankanlage nachgeschaltet. Von einem „rein kontinuierlichen Prozess“ kann also nicht die Rede sein.

„Ob die Rezeptur aus drei oder zehn pulverförmigen Rohstoffen, keinem oder mehreren flüssigen Additiven oder Bindern besteht, spielt keine Rolle.“

Battery-News.de: Wie begegnet Ihr Unternehmen diesem Umstand?
Gerl: Eirich hat von Anfang an auf eine Lösung mit möglichst wenig Anlagentechnik gesetzt. Innerhalb von 15 bis 20 Minuten stellen unsere Mischer exzellente Elektroden-Slurries her. Der Binder muss nicht vorgelöst werden, sondern wird direkt als Pulver zugegeben. Ob die Rezeptur aus drei oder zehn pulverförmigen Rohstoffen und/oder keinem oder mehreren flüssigen Additiven oder Bindern besteht, spielt dabei keine Rolle. Der Mischprozess kann alleine durch einfaches Steuern der Betriebsparameter in der Anlagensteuerung an jede beliebige Zellchemie angepasst werden. Um dem Bedarf der kontinuierlichen Versorgung des Coaters nachzukommen, hat Eirich den „ContiFeeder“-Prozess entwickelt und in einer ersten Fünf-Gigawattstunden-Fabrik umgesetzt. Das Verfahren vereint das Beste aus den Welten „Batch-Aufbereitung“ und „Kontinuierliche Versorgung des Coaters“ durch ein dem Mischer nachgeschaltetes cleveres Tank- und Puffersystem. Im Mischer bereits vorqualifizierter Slurry wird in einem oder mehreren Tanks weiter temperiert, entgast gespeichert und bedarfsgerecht dem kontinuierlich arbeitenden Coater übergeben.

„Die geometrische Ähnlichkeit bei größeren Maschinen erklärt die exzellente Scale-up-Fähigkeit des Eirich-Mischers.“

Battery-News.de: Der Mix-Vorgang von Planetenmischern ist bekanntlich ein sehr langer Prozess. Sie nennen für Ihr Mischsystem jetzt eine deutlich kürzere Zeit. Worin unterscheiden sich die Technologien?
Gerl: Planetenmischer, üblicherweise „Planetary Despa Mixer“, sind mit zwei oder mehreren Mischwerkzeugen ausgestattet. Ein langsam laufendes Planetenrührwerk sorgt für den Transport des Materials. Das mit deutlich höherer Umfangsgeschwindigkeit arbeitende Dissolver-Rührwerk – das „Despa Tool“ – wird in die Bereiche eingebracht, die vom Planetenrührwerk während der Drehbewegung nicht überstrichen werden. Das aktive Volumen, in dem das Dissolver-Rührwerk arbeitet, ist daher räumlich begrenzt. Mit steigender Maschinengröße wird es im Verhältnis immer kleiner. Mit größer werdenden Maschinen werden deshalb immer längere Mischzeiten notwendig. Nur so lässt sich die schlechte Skalierbarkeit des Planetenmischers kompensieren. Beim Eirich-Mischer entspricht der Durchmesser des einen exzentrisch angeordneten Mischwerkzeugs immer etwa 50 Prozent des Behälterdurchmessers – egal, ob Mischer fürs Labor oder für die Gigafactory. Die geometrische Ähnlichkeit bei größeren Maschinen erklärt die exzellente Scale-up-Fähigkeit des Eirich-Mischers. Für die Zuführung neuen Materials sorgt – anders als beim Planetenmischer – der sich drehende Mischbehälter. Das Mischwerkzeug arbeitet bei gleichen oder sogar höheren Umgangsgeschwindigkeiten wie ein „Despa Tool“, allerdings auch in hochplastischer Phase.

„Aufgrund der drastisch reduzierten Mischzeit ist der Gesamtenergieeintrag so gering, dass die Elektrodenmischung sich – anders als im Planetenmischer – kaum erwärmt.“

Battery-News.de: Welche Vorteile bietet das konkret?
Gerl: Aufgrund der drastisch reduzierten Mischzeit ist der Gesamtenergieeintrag so gering, dass die Elektrodenmischung sich – anders als im Planetenmischer – kaum erwärmt. Selbst in Produktionsmaschinen wird sie ohne Kühlung kaum wärmer als 35 bis 40 Grad Celsius. Trotzdem bietet Eirich seinen Mischer dem Kundenwunsch folgend auch mit Doppelmantelkühlung an. Im direkten Vergleich des Planetenmischers mit unserem Mischer werden die Vorteile der Eirich-Lösung besonders deutlich: Ein 2.000 Liter-Planetenmischer mit einer Nutzfüllung von 1.600 Litern hat bei einer üblichen Mischzeit von sechs Stunden eine effektive Durchsatzleistung von etwa 250 Litern pro Stunde. Ein aktueller Eirich-Mischer mit einer Nutzfüllung von 500 Litern schafft bei zwei Chargen je Stunde etwa den vierfachen Durchsatz. Preislich liegen die Mischer – selbst verglichen mit denen aus chinesischer Produktion – auf Augenhöhe.

International gefragt: Der „MixSolver“ von Eirich, hier im „UK Battery Industrialisation Centre“.

Battery-News.de: Die Energiebilanz ist vor allem in Deutschland ein entscheidender Punkt bei der Zellproduktion. Welche Auswirkung hat das Intensivmischen auf den Energieverbrauch?
Gerl: Vergleicht man die Eirich-Lösung mit dem klassischen Planetenmischer, ist mit Blick auf das Mischen eine Energieeinsparung von mehr als 90 Prozent möglich. Während der Eirich-Mischer etwa 15 bis 20 Wattstunden je Liter benötigt, liegt der Planetenmischer, auch wegen der zwingend notwendigen Kühlleistung, bei deutlich über 400 Wattstunden pro Liter. Für Extruder sind Verbrauchswerte im Bereich von etwa 25 Wattstunden je Liter publiziert, so dass der Eirich-Mischer auch gegenüber dem Extruder noch rund 20 bis 30 Prozent weniger Energiebedarf haben dürfte.

„Entscheidend für eine dauerhaft stabile Produktion bei minimalem Ausschuss ist eine Prozessüberwachung.“

Battery-News.de: In der Elektrodenfertigung ist die Qualitätssicherung von großer Bedeutung. Wie garantieren Sie die bestmögliche Qualität des Elektroden-Slurries?
Gerl: Entscheidend für eine dauerhaft stabile Produktion bei minimalem Ausschuss ist eine Prozessüberwachung – beginnend bei der Dosierung von Feststoffen und Flüssigkeiten über das Mischen bis hin zur Inline- und Online-Messung unterschiedlicher Qualitätsparameter der fertigen Elektroden-Slurries. Dabei profitieren wir von langjähriger Erfahrung aus anderen Branchen mit selbst adaptierenden und selbstlernenden Anlagensteuerungen im 24/7-Betrieb, heute gerne mit dem Schlagwort „Industrie 4.0“ bezeichnet. Neben der üblichen Erfassung der Antriebsleistungen der Motoren erlauben Eirich-Mischer die Erfassung der Mischgut-Temperatur und des Drucks in der Anlage. In einem speziellen Messzyklus während der Prozessierung wird die Slurry-Viskosität ähnlich wie in einem Kegel-Platte-Rheometer erfasst. Diese In-Line-Messprozedur ermöglicht es, im laufenden Prozess korrigierend in die Slurry-Herstellung einzugreifen.

Schwarz auf Weiß: Ein strukturierter Elektroden-Dry-Mix, hergestellt im Eirich-Intensivmischer.

Battery-News.de: Sind Ihre Systeme ausschließlich auf die derzeit üblichen Rezepturen abgestimmt oder können Sie auch andere Rezepturen verarbeiten, zum Beispiel Rezepturen für die oft diskutierte Trockenbeschichtung von Elektrodenbändern?
Gerl: Hunderte von Kundenversuchen mit vielen unterschiedlichen Rohstoffen und Rezepturen haben gezeigt, dass die Eirich-Lösung sich extrem einfach und schnell auf neue Rezepturen und Rohstoffe anpassen lässt. Eine 1:1-Übernahme von Rezepturen und Mischvorschriften, die für Planetenmischer entwickelt wurden, ist in der Regel nicht möglich. Häufig sind Anpassungen von Bindermengen oder Feststoffgehalten notwendig, um die Verarbeitungs-, aber auch die elektrochemischen Eigenschaften zu optimieren. Ob wässrige oder lösungsmittelbasierte Mischungen verwendet werden, macht für uns kaum einen Unterschied. Besonders einfach ist das Scale-up der in Versuchsreihen ermittelten Rezeptur- und Betriebsparameter: Sie können erfahrungsgemäß problemlos eins zu eins vom Zwei-Liter-Maßstab auf den 200-Liter-Maßstab übertragen werden. Das spart beim Start der Produktion kostbare Zeit. Außerdem erlaubt das besondere Funktionsprinzip des Eirich-Mischers die Verarbeitung von Pulver und Flüssigkeiten jeglicher Konsistenz. Daher ist es problemlos machbar, alleine durch Anpassung der Betriebsweise strukturierte Dry-Mixes zur Weiterverarbeitung im Trockenelektroden-Prozess herzustellen. Neben dem Coaten von Aktivmaterial mit Leitfähigkeitsadditiven ist auch das Fibrillieren von Polymerbindern möglich. Durch das Fibrillieren lassen sich plastische, aber vollkommen trockene Mischungszustände anschließend in derselben Maschine in gut dosierfähige Granulate bis hin zu Pulvern überführen.