DE102023112620A1 - Method for producing electrode mixtures, and device therefor - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von Elektrodenmischungen aus verschiedenen Substanzen, nämlich aus aktivem Material mit einem Massenanteil w1, gegebenenfalls Additiven mit einem Massenanteil w2 und Binder mit einem Massenanteil w3, wobei w1 und w3 jeweils > 0%, w2 ≥ 0% und w1 , w2 und w3 jeweils < 100 % sind, mit den Schritten
1) Einfüllen des aktiven Materials sowie eines ersten prozentualen Anteils pa1 der Additive und/oder eines ersten prozentualen Anteils pb1 der Binder in einen Behälter, wobei 0% ≤ pα1 ≤ 100% und 0%≤ pb1 ≤ 100%, jedoch entweder 0% < pα1 oder 0% < pb1 ist,
A) Einbringen einer ersten mechanischen Leistung P1 in die im Behälter aufgenommen Substanzen, mittels Scherkräften oder Aufprallkräften,
2) Einfüllen eines zweiten prozentualen Anteils pa2 der Additive und/oder eines weiteren prozentualen Anteils pb2 der Binder in den Behälter, wobei 0% ≤ pα2 ≤ 100% - pα1 und 0% ≤ Pb2 ≤ 100% - Pb1,
B) Einbringen einer zweiten mechanischen Leistung P2 in die im Behälter aufgenommen Substanzen, mittels Scherkräften oder Aufprallkräften, während eines zweiten Zeitintervalls T2, um eine zweite Mischung zu erzeugen, wobei P2> P1, und
W) Wiederholen der Schritte A) und B) so lange Binder und gegebenenfalls Additive noch nicht vollständig eingebracht sind, wobei zwischen Schritt A) und B) der Schritt K) Einfüllen eines weiteren prozentualen Anteils pak der Additive und/oder eines weiteren prozentualen Anteils pbk der Binder in den Behälter erfolgt, wobei bei der ersten Wiederholung k=3 und k nach jeder Wiederholung um 1 erhöht wird, sowie
1) filling the active material and a first percentage p a1 of the additives and/or a first percentage p b1 of the binders into a container, where 0% ≤ p α1 ≤ 100% and 0% ≤ p b1 ≤ 100%, but either 0% < p α1 or 0% < p b1 ,
A) introducing a first mechanical power P 1 into the substances contained in the container, by means of shear forces or impact forces,
2) Introducing a second percentage p a2 of the additives and/or a further percentage p b2 of the binders into the container, where 0% ≤ p α2 ≤ 100% - p α1 and 0% ≤ P b2 ≤ 100% - P b1 ,
B) introducing a second mechanical power P 2 into the substances contained in the container, by means of shear forces or impact forces, during a second time interval T 2 to produce a second mixture, where P 2 > P 1 , and
W) repeating steps A) and B) as long as binders and, if applicable, additives have not yet been completely introduced, whereby between steps A) and B) step K) is carried out to fill a further percentage portion p ak of the additives and/or a further percentage portion p bk of the binders into the container, whereby k=3 for the first repetition and k is increased by 1 after each repetition, and
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Elektrodenmischungen, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die Verwendung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Elektrodenmischung, die nach dem Verfahren hergestellt worden ist.The present invention relates to a method for producing electrode mixtures, a device for carrying out the method, the use of a device for carrying out the method and an electrode mixture which has been produced according to the method.
In den letzten Jahren ist die Akku-Technologie und insbesondere die Li-lonen-Technologie in den Fokus gerückt worden, da diese für die Funktionsfähigkeit von z.B. voll elektrisch angetriebenen Fahrzeugen aber auch für stationäre Stromspeicher wesentlich ist. Ein langlebiger Akku mit hoher Kapazität, welcher kostengünstig herzustellen ist, ist Voraussetzung für die Akzeptanz von voll elektrisch angetriebenen Fahrzeugen.In recent years, battery technology, and in particular lithium-ion technology, has come into focus, as it is essential for the functionality of, for example, fully electric vehicles, but also for stationary power storage. A long-lasting battery with a high capacity that can be produced inexpensively is a prerequisite for the acceptance of fully electric vehicles.
Dabei kommen derzeit hauptsächlich Li-lonen-Akkus zum Einsatz.Currently, Li-ion batteries are mainly used.
Eine typische Li-lonen-Zellen-Elektrode weist eine als Anode wirkende Kupferfolie und eine als Kathode wirkende Aluminiumfolie auf. Die Folien werden in der Regel beidseitig mit aktivem Material und zumindest für die Herstellung einer Kathode mit Additiven beschichtet.A typical Li-ion cell electrode has a copper foil acting as an anode and an aluminum foil acting as a cathode. The foils are usually coated on both sides with active material and, at least for the production of a cathode, with additives.
Während des Ladens der Lithium-Ionen-Zelle wandern Lithium-Ionen von der Kathode durch einen Elektrolyten zur Anode und werden dort von Partikeln des aktiven Materials gehalten. Der beschriebene Vorgang ist reversibel, sodass der Lithium-Ionen-Stromfluss beim Entladen des Akkus von der Anode zur Kathode fließt.When charging the lithium-ion cell, lithium ions migrate from the cathode through an electrolyte to the anode and are held there by particles of the active material. The process described is reversible, so that the lithium ion current flow flows from the anode to the cathode when the battery is discharged.
An die Elektroden werden hohe Anforderungen gestellt, um eine zuverlässige Lithium-Ionen-Batterie mit hoher Kapazität herstellen zu können.High demands are placed on the electrodes in order to produce a reliable lithium-ion battery with high capacity.
Die Elektrodenschicht muss Poren aufweisen, in welche der Elektrolyt eindringen kann, um Lithium-Ionen zu jedem Partikel des aktiven Materials transportieren zu können. Im Idealfall muss das aktive Material möglichst großflächig vom Elektrolyten benetzt werden. Darüber hinaus müssen die Partikel des aktiven Materials mit der Metallfolie, d. h. im beschriebenen Beispiel mit der Kupfer- bzw. Aluminiumfolie elektrisch verbunden sein, um einen Transport von Elektronen zu und von jedem Partikel des aktiven Materials sicherzustellen.The electrode layer must have pores into which the electrolyte can penetrate in order to transport lithium ions to each particle of the active material. Ideally, the active material must be wetted by the electrolyte over as large an area as possible. In addition, the particles of the active material must be electrically connected to the metal foil, i.e. in the example described, to the copper or aluminum foil, in order to ensure the transport of electrons to and from each particle of the active material.
Weiterhin müssen die Partikel des aktiven Materials sowohl untereinander als auch an die Metallfolie gebunden sein, wozu ein Bindermaterial verwendet wird. Schließlich sollte die Schichtdicke möglichst gleichmäßig ausgebildet sein.Furthermore, the particles of the active material must be bound to each other and to the metal foil, for which a binder material is used. Finally, the layer thickness should be as uniform as possible.
Um die Schichten herzustellen, müssen die Edukte, d. h. das aktive Material, der Binder und gegebenenfalls die Additive miteinander vermischt und zu einem sogenannten „Slurry“ (engl. Paste, Aufschlämmung) dispergiert werden. In der Regel wird hier ein flüssiges Lösungsmittel (z. B. Wasser oder N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP)) zugeführt, welches dann nach der Aufbringung der Elektrodenmischung auf die Folie in aufwändigen Trocknungsverfahren wieder entfernt werden muss.To produce the layers, the reactants, i.e. the active material, the binder and, if necessary, the additives, must be mixed together and dispersed to form a so-called "slurry". A liquid solvent (e.g. water or N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)) is usually added here, which then has to be removed again in a complex drying process after the electrode mixture has been applied to the film.
Dies ist zeit- und energieaufwendig. Zudem müssen in der maschinellen Fertigung der Elektrodenmischungen voluminöse Trocknungseinrichtungen vorgesehen werden.This is time-consuming and energy-intensive. In addition, voluminous drying facilities must be provided in the mechanical production of the electrode mixtures.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Elektrodenmischungen anzugeben, welches die Menge an notwendigem Lösungsmittel reduziert oder im besten Fall sogar völlig ohne Lösungsmittel auskommt und dennoch eine gut verarbeitbare Elektrodenmischung hoher Qualität bereitstellt.Based on the described prior art, it is therefore the object of the present invention to provide a method for producing electrode mixtures which reduces the amount of solvent required or, in the best case, even does not require any solvent at all and yet still provides an easily processable electrode mixture of high quality.
Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen.Furthermore, it is an object of the present invention to provide a device for carrying out the method.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Elektrodenmischungen aus verschiedenen Substanzen, nämlich aus aktivem Material mit einem Massenanteil w1, gegebenenfalls Additiven mit einem Massenanteil w2 und Binder mit einem Massenanteil w3, wobei w1 und w3 jeweils > 0%, w2≥ 0% und w1 , w2 und w3 jeweils < 100 % sind, mit den Schritten
- 1) Einfüllen des aktiven Materials sowie eines ersten prozentualen Anteils pa1 der Additive und/oder eines ersten prozentualen Anteils pb1 der Binder in einen Behälter, wobei 0% ≤ pα1 ≤ 100% und 0%≤ pb1 ≤ 100%, jedoch entweder 0% < pα1 oder 0% < pb1 ist,
- A) Einbringen einer ersten mechanischen Leistung P1 in die im Behälter aufgenommen Substanzen, mittels Scherkräften oder Aufprallkräften, wobei Scherkräfte bevorzugt sind,
- 2) Einfüllen eines zweiten prozentualen Anteils pa2 der Additive und/oder eines weiteren prozentualen Anteils pb2 der Binder in den Behälter, wobei 0% ≤ pa2 ≤ 100% - pα1 und 0% ≤ Pb2 ≤ 100% - pb1
- B) Einbringen einer zweiten mechanischen Leistung P2 in die im Behälter aufgenommen Substanzen, mittels Scherkräften oder Aufprallkräften, wobei Scherkräfte bevorzugt sind, während eines Zeitintervalls T2, wobei P2> P1, und W) Wiederholen der Schritte A) und B) solange Binder und gegebenenfalls Additive noch nicht vollständig eingebracht sind, wobei vor Schritt A) und/oder zwischen Schritt A) und B) der Schritt
- K) Einfüllen eines weiteren prozentualen Anteils pak der Additive und/oder eines weiteren prozentualen Anteils pbk der Binder in den Behälter erfolgt, wobei bei der ersten Wiederholung k=3 ist und k nach jeder Wiederholung um 1 erhöht wird, sowie
- 1) filling the active material and a first percentage p a1 of the additives and/or a first percentage p b1 of the binders into a container, where 0% ≤ p α1 ≤ 100% and 0% ≤ p b1 ≤ 100%, but either 0% < p α1 or 0% < p b1 ,
- A) introducing a first mechanical power P 1 into the substances contained in the container, by means of shear forces or impact forces, whereby shear forces are preferred,
- 2) Adding a second percentage p a2 of the additives and/or a further percentage p b2 of the binders into the container, where 0% ≤ p a2 ≤ 100% - p α1 and 0% ≤ P b2 ≤ 100% - p b1
- B) introducing a second mechanical power P 2 into the substances contained in the container, by means of shear forces or impact forces, whereby shear forces are preferred, during a time interval T 2 , whereby P 2 > P 1 , and W) repeating steps A) and B) as long as binders and optionally additives have not yet been completely introduced, whereby before step A) and/or between steps A) and B) the step
- K) adding a further percentage p ak of the additives and/or a further percentage p bk of the binders into the container, whereby k=3 for the first repetition and k is increased by 1 after each repetition, and
Wird eine Elektrodenmischung für eine Kathode hergestellt, so kann als aktives Material beispielsweise Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid, Lithium-Mangan-Oxid, Lithium-Kobalt-Oxid, Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid, Lithium-Eisenphosphat oder andere Lithium- oder Natrium-Metalloxide verwendet werden.If an electrode mixture is produced for a cathode, the active material used can be, for example, lithium nickel cobalt manganese oxide, lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide, lithium nickel cobalt aluminum oxide, lithium iron phosphate or other lithium or sodium metal oxides.
Wird eine Elektrodenmischung für eine Anode hergestellt, kann als aktives Material beispielsweise Graphit, Kohlenstoff wie Aktivkohle oder Graphen oder Silizium-Kohlenstoff-Komposite verwendet werden. Dabei kann der Massenanteil w1 bis zu 99,9 % betragen, wobei vorzugsweise w1 zwischen 90 und 99,9 % liegt.If an electrode mixture is produced for an anode, graphite, carbon such as activated carbon or graphene, or silicon-carbon composites can be used as the active material. The mass fraction w 1 can be up to 99.9%, with w 1 preferably being between 90 and 99.9%.
Die verwendeten Additive sind meist Leitadditive, wie z.B. Leitruße, die insbesondere bei der Herstellung von einer Elektrodenmischung für eine Kathode notwendig sind, da das aktive Material häufig nur schlecht elektrisch leitfähig ist. Zusätzlich zu den Leitadditiven kommen für Elektrodenmischungen für Anoden und Kathoden beispielsweise Silizium oder Siliziumverbindungen, Festelektrolyte, nanopartikuläre Aerosile sowie Oxalsäuren, Graphene, Kohlenstoffnanoröhren (CNT), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) oder Leitgraphite zum Einsatz, wobei vorzugsweise der Massenanteil w2 ≥ 0 und < 10 % ist. Insbesondere bei Silizium- bzw. Siliziumverbindungen oder Festelektrolyten können die Massenanteile auch deutlich höher als 10% liegen.The additives used are usually conductive additives, such as conductive carbon black, which are particularly necessary when producing an electrode mixture for a cathode, since the active material is often only poorly electrically conductive. In addition to the conductive additives, for example, silicon or silicon compounds, solid electrolytes, nanoparticulate aerosils as well as oxalic acids, graphene, carbon nanotubes (CNT), styrene-butadiene rubber (SBR) or conductive graphite are used for electrode mixtures for anodes and cathodes, whereby the mass fraction w 2 is preferably ≥ 0 and < 10%. In particular with silicon or silicon compounds or solid electrolytes, the mass fractions can also be significantly higher than 10%.
Der Massenanteil w3 des Binders liegt ebenfalls zwischen 0,1 und 10 % in einer bevorzugten Ausführungsform. Als Binder kommen insbesondere polymere Binder, wie z.B. fluorhaltige Polymerbinder wie PVDF und PTFE zum Einsatz. Alternativ könnte auch Carboxymethylcellulosen (CMC) als Binder verwendet werden. Viele Polymerbinder und insbesondere PTFE zeigen bei einer bestimmten Temperatur und bei Einbringen von Energie, insbesondere von Scherenergie, den Effekt der Fibrillation, was die Verarbeitungsfähigkeit der Elektrodenmischung verbessert.The mass fraction w 3 of the binder is also between 0.1 and 10% in a preferred embodiment. Polymeric binders, such as fluorine-containing polymer binders such as PVDF and PTFE, are used as binders in particular. Alternatively, carboxymethylcelluloses (CMC) could also be used as a binder. Many polymer binders, and in particular PTFE, show the effect of fibrillation at a certain temperature and when energy, in particular shear energy, is introduced, which improves the processability of the electrode mixture.
Schritt A) kann gleichzeitig mit Schritt 1) oder nach Schritt 1) durchgeführt werden.Step A) can be performed simultaneously with step 1) or after step 1).
In Schritt A) werden die in Schritt 1) in den Behälter eingegebenen Bestandteile trocken gemischt, d. h. es wird kein Lösungsmittel, wie z.B. Wasser zugefügt. Dabei wird eine weitestgehend homogene Mischung hergestellt. Dabei bildet sich eine Partikelverbundstruktur aus, d.h. die Partikel des aktiven Materials werden von dem Binder und/oder den (Leit-) Additiven umgeben.In step A), the components added to the container in step 1) are mixed dry, i.e. no solvent such as water is added. This produces a largely homogeneous mixture. This forms a particle composite structure, i.e. the particles of the active material are surrounded by the binder and/or the (conductive) additives.
Nach Schritt A) wird Schritt 2) durchgeführt, in welchem weitere Anteile der Additive und/oder weitere Anteile der Binder eingebracht werden. Dabei ist es nicht notwendig, dass in Schritt 2) überhaupt weitere Anteile eingebracht werden. Sind beispielsweise in Schritt 1) bereits alle für Schritt B) vorgesehenen Anteile eingebracht worden, muss in Schritt 2) kein weiterer Anteil eingebracht werden. Die Anteile pa2 und pb2 können daher auch beide 0% betragen. Mit anderen Worten kann Schritt 2) entfallen.After step A), step 2) is carried out, in which further amounts of additives and/or further amounts of binders are added. It is not necessary for any further amounts to be added in step 2). For example, if all amounts intended for step B) have already been added in step 1), no further amounts need to be added in step 2). The amounts p a2 and p b2 can therefore both be 0%. In other words, step 2) can be omitted.
In Schritt B), welcher entweder nach Schritt 2) oder während Schritt 2) durchgeführt werden kann, wird eine zweite mechanische Leistung P2 mittels Scherkräften, wobei stattdessen auch Aufprallkräfte verwendet werden könnten, in die Mischung eingebracht, welche höher ist als die erste mechanische Leistung.In step B), which can be carried out either after step 2) or during step 2), a second mechanical power P 2 is introduced into the mixture by means of shear forces, although impact forces could also be used instead, which is higher than the first mechanical power.
Das Einbringen der mechanischen Leistungen in sowohl Schritt A) als auch Schritt B) kann beispielsweise durch entsprechend ausgebildete Mischwerkzeuge in einem Mischbehälter erfolgen. Dabei wird in Schritt B) die Drehzahl gegenüber der Drehzahl in Schritt A) erhöht. Die mechanischen Leistungen P1 und P2 müssen nicht konstant sein, sondern können sich während der Durchführung des jeweiligen Schrittes ändern. So kann beispielsweise die Drehzahl des verwendeten Mischwerkzeuges während der Durchführung der Einzelschritte konstant gehalten werden. Da sich allerdings während der Durchführung der Einzelschritte die Dichte und die Fließfähigkeit der Mischung ändert, ändert sich dadurch auch die eingebrachte Leistung. Wesentlich ist allerdings, dass in Schritt B) die eingebrachte mechanische Leistung größer als in Schritt A) ist.The mechanical powers in both steps A) and B) can be introduced, for example, using appropriately designed mixing tools in a mixing container. In step B), the speed is increased compared to the speed in step A). The mechanical powers P 1 and P 2 do not have to be constant, but can change during the respective step. For example, the speed of the mixing tool used can be kept constant during the individual steps. However, since the density and flowability of the mixture changes during the individual steps, the power introduced also changes. It is important, however, that the mechanical power introduced in step B) is greater than in step A).
Alternativ könnte die mechanische Leistung auch in einem kontinuierlichen Extruder eingebracht werden. Unterschiedliche mechanische Leistungen während aufeinanderfolgenden Zeitintervallen kann dann durch unterschiedliche lange Zonen entlang der Mischachse des Extruders und durch unterschiedliche Geometrien von Mischelementen in den jeweiligen Zonen verwirklicht werden.Alternatively, the mechanical power could also be introduced in a continuous extruder. Different mechanical powers during successive time intervals can then be realized by different length zones along the mixing axis of the extruder and by different geometries of mixing elements in the respective zones.
Ein PTFE-Binder liegt beispielsweise zunächst als Agglomerat vor, welches aus einzelnen, wollknäuelförmigen Teilchen aus perlenkettenförmigen Polymerfasern besteht. In Schritt B) bildet sich aufgrund der Anhaftung der polymeren Binderbestandteile an die Oberflächen des aktiven Materials eine faden-/faserförmige Struktur, die sich zu einem Netzwerk und zwar meist zu einem spinnennetzartigen Netzwerk ausbilden, in welches die zuvor gebildeten Partikelverbundstrukturen eingebunden sind. Mit anderen Worten findet ein Coating des aktiven Materials mit dem Binder und gegebenenfalls den Additiven statt.A PTFE binder, for example, is initially present as an agglomerate, which consists of individual, ball-of-wool-shaped particles made of pearl-string-shaped polymer fibers. In step B), a thread-like/fiber-like structure is formed due to the adhesion of the polymer binder components to the surfaces of the active material, which forms a network, usually a spider web-like network, into which the previously formed particle composite structures are integrated. In other words, the active material is coated with the binder and, if necessary, the additives.
Je nach Anwendungsfall kann das Zeitintervall T2 von Schritt B) zwischen 1 und 90 Minuten betragen, wobei die Dauer vorzugsweise zwischen 10 und 30 Minuten gewählt wird.Depending on the application, the time interval T 2 of step B) can be between 1 and 90 minutes, with the duration preferably being between 10 and 30 minutes.
Falls bereits vor der Durchführung von Schritt B) alle gewünschten Bestandteile der herzustellenden Elektrodenmischung eingefüllt worden sind, kann das erfindungsgemäße Verfahren hier enden. Sind allerdings noch nicht alle Binder und gegebenenfalls Additive vollständig zugegeben worden, werden die Schritte A) und B) wiederholt, wobei vor Schritt A) und/oder zwischen den Schritten A) und B) der Wiederholung weitere Anteile der Additive und/oder der Binder eingefüllt werden. Somit durchlaufen auch später hinzugefügte Anteile von Binder und/oder Additiven die Schritte A) und B).If all the desired components of the electrode mixture to be produced have already been added before step B) is carried out, the process according to the invention can end here. However, if all the binders and optionally additives have not yet been completely added, steps A) and B) are repeated, with further portions of the additives and/or binders being added before step A) and/or between steps A) and B) of the repetition. Thus, portions of binders and/or additives added later also go through steps A) and B).
Insbesondere bei der Herstellung von Elektrodenmischungen für Kathoden ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass w2 > 0%, pa1>0% und pb1 = 0% ist. Mit anderen Worten wird in Schritt 1) ausschließlich ein Teil der Additive oder die vollständige Menge an additiven und keinerlei Binder zugeführt. Erst in Schritt 2) oder in Schritt K), falls es zu Wiederholungen der Schritte A) und B) kommt, wird Binder zugefügt.In particular, when producing electrode mixtures for cathodes, a preferred embodiment provides that w 2 > 0%, p a1 > 0% and p b1 = 0%. In other words, in step 1), only a portion of the additives or the entire amount of additives and no binders are added. Binders are only added in step 2) or in step K), if steps A) and B) are repeated.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest bei der letzten Durchführung von Schritt B) und vorzugsweise bei allen Durchführungen von Schritt B) die Leistung P2 so bemessen, dass sich in Schritt B) die Temperatur der im Behälter aufgenommen Substanzen erhöht und Schritt B) beendet wird, sobald die Temperatur der im Behälter aufgenommen Substanzen die vorbestimmte Temperatur TH erreicht.In a further preferred embodiment, at least in the last execution of step B) and preferably in all executions of step B), the power P 2 is dimensioned such that in step B) the temperature of the substances held in the container increases and step B) is terminated as soon as the temperature of the substances held in the container reaches the predetermined temperature T H .
Dabei gilt für TH vorzugsweise TH > 50°C, besonders bevorzugt 50 °C < TH < 80°C und am besten 50 °C < TH < 70°C ist. Die Temperatur TH sollte nicht wesentlich überschritten werden.The preferred T H value is T H > 50°C, particularly 50 °C < T H < 80°C and most preferably 50 °C < T H < 70°C. The temperature T H should not be significantly exceeded.
Der polymere Binder, insbesondere ein PTFE-Binder zeigt üblicherweise eine Fibrillierung erst bei deutlich höheren Temperaturen. Überraschenderweise wird diese allerdings durch das Einbringen der mechanischen Energie bereits bei niedrigeren Temperaturen erzielt.The polymer binder, especially a PTFE binder, usually only shows fibrillation at significantly higher temperatures. Surprisingly, however, this is achieved at lower temperatures by introducing mechanical energy.
Falls sich im speziellen Anwendungsfall ergibt, dass das Zeitintervall, in welchem Schritt B) durchgeführt wird, zu kurz ist, da die Temperatur TH sehr schnell erreicht wird, kann es durch Kühlen des Behälters verlängert werden.If in a specific application it turns out that the time interval in which step B) is carried out is too short because the temperature T H is reached very quickly, it can be extended by cooling the container.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist nach der letzten Durchführung von Schritt B) vorgesehen:
- Schritt C) Einbringen einer dritten mechanischen Leistung P3 in die im Behälter aufgenommen Substanzen mittels Scherkräften oder Aufprallkräften, wobei Scherkräfte bevorzugt sind, während eines Zeitintervalls T3, wobei P3 < P2 ist.
- Step C) introducing a third mechanical power P 3 into the substances contained in the container by means of shear forces or impact forces, with shear forces being preferred, during a time interval T 3 , where P 3 < P 2 .
Werden über ein Mischwerkzeug Scherkräfte in die Mischung eingebracht, so kann in Schritt C) die Geschwindigkeit des Mischwerkzeuges reduziert werden.If shear forces are introduced into the mixture via a mixing tool, the speed of the mixing tool can be reduced in step C).
Für die Ausbildung einer optimal strukturierten Trockenmischung kann in Schritt C) die eingebrachte mechanische Leistung reduziert werden, was überraschenderweise die Qualität der Mischung verbessert. Es hat sich herausgestellt, dass zur Ausbildung der netzwerkartigen Struktur nur am Anfang eine hohe mechanische Leistung P2 eingebracht werden muss. Sobald die Fibrillation des Binders beginnt, kann die komplette Ausbildung der Struktur auch mit geringerem Leistungseinsatz abgeschlossen werden.To form an optimally structured dry mix, the mechanical power applied can be reduced in step C), which surprisingly improves the quality of the mix. It has been found that to form the network-like structure, a high mechanical power P 2 only needs to be applied at the beginning. As soon as the fibrillation of the binder begins, the entire formation of the structure can also be completed with less power input.
In der Regel ist es von Vorteil, wenn das Zeitintervall T3 kürzer als das Zeitintervall T2 ist.As a rule, it is advantageous if the time interval T 3 is shorter than the time interval T 2 .
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die in Schritt B) für die Temperaturerhöhung bis zur vorbestimmten Temperatur TH benötigte Energie vollständig oder zumindest zu 80 % durch mechanische Energie, d. h. durch die Scherkräfte eingebracht.In a preferred embodiment, the energy required in step B) for the temperature increase to the predetermined temperature T H is introduced completely or at least 80% by mechanical energy, ie by the shear forces.
Eine zusätzliche externe Erwärmung ist nicht unbedingt notwendig.Additional external heating is not absolutely necessary.
Sobald die Temperatur TH erreicht bzw. überschritten ist, wird die in die Mischung eingebrachte mechanische Leistung reduziert, sodass es zu keiner weiteren nennenswerten Temperaturerhöhung kommt.As soon as the temperature T H is reached or exceeded, the mechanical power introduced into the mixture is reduced so that no further significant temperature increase occurs.
Im Wesentlichen wird die Temperatur der Mischung konstant gehalten und die Mischung einfach bewegt. Dadurch wird die Fibrillierung abgeschlossen und eine sogenannte strukturierte Trockenmischung erhalten, die zur Herstellung einer Elektrode gut geeignet ist.Essentially, the temperature of the mixture is kept constant and the mixture is simply agitated. This completes the fibrillation and produces what is known as a structured dry mixture, which is well suited for making an electrode.
Dabei ist in einer bevorzugten Ausführungsform in Schritt C) die Leistung so bemessen, dass die Temperatur der im Behälter aufgenommen Substanzen in einem Intervall zwischen 0,8 x TH und 1,1 x TH und vorzugsweise in einem Intervall zwischen 0,9 x TH und 1,05 x TH gehalten wird.In a preferred embodiment, in step C), the power is dimensioned such that the temperature of the substances accommodated in the container is maintained in an interval between 0.8 x T H and 1.1 x T H and preferably in an interval between 0.9 x T H and 1.05 x T H.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform folgt nach der letzten Durchführung von Schritt B) und falls vorhanden nach Schritt C) der Schritt:
- D) Abkühlung der im Behälter aufgenommen Substanzen auf eine Temperatur TL< TH, während eine vierte mechanischen Leistung P4 in die im Behälter aufgenommen Substanzen mittels Scherkräften eingebracht wird, wobei P4 < P2 und vorzugsweise P4 < P3 ist.
- D) cooling the substances contained in the container to a temperature T L < T H , while a fourth mechanical power P 4 is introduced into the substances contained in the container by means of shear forces, where P 4 < P 2 and preferably P 4 < P 3 .
Somit wird am Ende von Schritt C) die Mischung abgekühlt, wobei gleichzeitig die Mischung weiterhin bewegt wird, um eine gute Durchmischung zu garantieren. Prinzipiell wäre es auch möglich, eine ruhende, nicht bewegte Mischung abzukühlen, so dass P4 = 0 wäre. Auch ein intervallartiges Bewegen und Ruhen der Mischung während der Abkühlung ist möglich. Die Temperatur TL ist vorzugsweise < 45°, besonders bevorzugt < 40 °C und am besten < 35 °C.Thus, at the end of step C), the mixture is cooled, while at the same time the mixture continues to be moved to ensure good mixing. In principle, it would also be possible to cool a stationary, non-moving mixture so that P4 = 0. Intermittent movement and resting of the mixture during cooling is also possible. The temperature T L is preferably < 45°, particularly preferably < 40 °C and best of all < 35 °C.
Das Bewegen der Mischung während des Abkühlens verändert die Struktur, d. h. die Fähigkeit, in welcher die Elektrodenmischung weitertransportiert und dosiert werden kann, deutlich.Moving the mixture during cooling significantly changes the structure, i.e. the ability of the electrode mixture to be transported and dosed.
Die Abkühlung wird mit Vorteil durch Kühlen beispielsweise der Wände eines Mischbehälters, in welchem die Mischung gehalten wird, unterstützt. Alternativ und/oder zusätzlich kann die Kühlung auch mittels eines kalten Gasstromes und/oder mit Hilfe von Flüssiggasen wie Stickstoff oder CO2, z.B. auch in Form von Trockeneis, durchgeführt werden.The cooling is advantageously supported by cooling, for example, the walls of a mixing container in which the mixture is held. Alternatively and/or additionally, the cooling can also be carried out by means of a cold gas stream and/or with the aid of liquid gases such as nitrogen or CO 2 , e.g. also in the form of dry ice.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass nach Schritt D) der Schritt folgt:
- E) Zerkleinerung der im Behälter aufgenommen Substanzen in eine Vielzahl von Agglomeraten durch Einbringen einer fünften mechanischen Leistung P5 mit P5 >P4, wobei die Agglomerate vorzugsweise eine durchschnittliche Korngröße zwischen 0,05 und 5 mm aufweisen.
- E) comminution of the substances contained in the container into a plurality of agglomerates by introducing a fifth mechanical power P 5 with P 5 >P 4 , wherein the agglomerates preferably have an average grain size between 0.05 and 5 mm.
Diese Maßnahme sorgt dafür, dass die sogenannte strukturierte Mischung feinkörnig, rieselfähig und damit sowohl einfach aus einem Mischbehälter entnommen als auch der Weiterverarbeitung zwecks Erstellung der Elektrode zugeführt werden kann.This measure ensures that the so-called structured mixture is fine-grained, free-flowing and can therefore be easily removed from a mixing container as well as fed into further processing for the purpose of producing the electrode.
Das erfindungsgemäße Verfahren kommt völlig ohne die Zugabe von Lösungsmitteln aus.The process according to the invention does not require any addition of solvents.
Die Qualität der Mischung kann noch verbessert werden, wenn das Verfahren in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird. Dies ist insbesondere bei Schritt B) von Vorteil. Am besten werden jedoch alle Schritte des Verfahrens in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Als Schutzgasatmosphäre kann beispielsweise besonders konditionierte trockene Luft oder ein Inertgas vorgesehen sein.The quality of the mixture can be further improved if the process is carried out in a protective gas atmosphere. This is particularly advantageous in step B). However, it is best to carry out all steps of the process in a protective gas atmosphere. The protective gas atmosphere can be, for example, specially conditioned dry air or an inert gas.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Elektrode hergestellt, indem eine Elektrodenmischung, die nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt worden ist, entweder ausgewalzt und auf eine Ableitfolie auflaminiert wird oder auf eine Ableitfolie aufgepresst wird.In a preferred embodiment, an electrode is produced by either rolling out an electrode mixture produced according to the described method and laminating it onto a conductive foil or pressing it onto a conductive foil.
Die Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens weist einen Mischbehälter mit einer Mischbehälterwand und einem Mischbehälterboden, ein im Mischbehälter angeordnetes Mischwerkzeug und einen Wandabstreifer auf, wobei das Mischwerkzeug um eine Werkzeugachse w und der Mischbehälter um eine Behälterachse b drehbar sind, wobei die Werkzeugachse w und die Behälterachse b voneinander beabstandet sind.The device for carrying out the described method has a mixing container with a mixing container wall and a mixing container bottom, a mixing tool arranged in the mixing container and a wall scraper, wherein the mixing tool is rotatable about a tool axis w and the mixing container about a container axis b, wherein the tool axis w and the container axis b are spaced apart from one another.
Die Vorrichtung kann damit für alle Verfahrensschritte verwendet werden. So kann sowohl die in Schritt A) vorgesehene Durchmischung als auch das spätere Einbringen von mechanischer Energie mittels Scherkräften in den Schritten B) und C) im Mischbehälter erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung zur Temperierung eines im Mischbehälter angeordneten Mischguts auf. Beispielsweise kann der Mischbehälter derart doppelwandig ausgeführt sein, dass zwischen den beiden Wänden der Doppelwand ein Temperierfluid, d. h. ein Kühl- oder Heizfluid hindurchgeleitet werden kann. Insbesondere kann die Kühleinrichtung die Dauer von Schritt C) deutlich reduzieren oder die Temperatur des Mischgutes und/oder den Temperaturanstieg in Schritt A) und/oder Schritt B) begrenzen, was von großem Vorteil ist.The device can therefore be used for all process steps. Both the mixing provided for in step A) and the later introduction of mechanical energy by means of shear forces in steps B) and C) can take place in the mixing container. In a preferred embodiment, the device has a heating and/or cooling device for tempering a mixed material arranged in the mixing container. For example, the mixing container can be designed with double walls in such a way that a tempering fluid, i.e. a cooling or heating fluid, can be passed between the two walls of the double wall. In particular, the cooling device can significantly reduce the duration of step C) or limit the temperature of the mixed material and/or the temperature increase in step A) and/or step B), which is a great advantage.
Besonders bevorzugt ist auch, dass zumindest ein Abschnitt des Mischbehälterbodens derart doppelwandig ausgeführt ist, dass zwischen den beiden Wänden der Doppelwand ein Kühl- oder Heizfluid hindurchgeleitet werden kann.It is also particularly preferred that at least one section of the mixing container bottom is designed with double walls in such a way that a cooling or heating fluid can be passed between the two walls of the double wall.
Es hat sich gezeigt, dass die Qualität der Mischung besser wird, wenn während des Betriebes der Vorrichtung Mischwerkzeug und Mischbehälter gleichsinnig um die Werkzeugachse w bzw. die Behälterachse b gedreht werden. Schaut man in das Innere des Mischbehälters auf den Behälterboden so wird somit sowohl der Mischbehälter als auch das Mischwerkzeug im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Es sind für andere Anwendungen Mischverfahren bekannt, bei welchen Mischwerkzeug und Mischbehälter gegensinnig in die Werkzeugachse w bzw. die Behälterachse b gedreht werden, d. h. eines der Elemente, Mischwerkzeug und Mischbehälter, wird im Uhrzeigersinn um seine Achse gedreht, während das andere Element gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird. Bei der Herstellung von Elektrodenmischungen hat sich jedoch die gleichsinnige Bewegung von Mischwerkzeug und Mischbehälter bewährt.It has been shown that the quality of the mixture is improved if the mixing tool and the mixing container are rotated in the same direction around the tool axis w or the container axis b while the device is in operation. If you look inside the mixing container at the bottom of the container, both the mixing container and the mixing tool are rotated clockwise or anti-clockwise. Mixing processes are known for other applications in which the mixing tool and the mixing container are rotated in opposite directions around the tool axis w or the container axis b, i.e. one of the elements, the mixing tool and the mixing container, is rotated clockwise around its axis while the other element is rotated anti-clockwise. However, when producing electrode mixtures, the movement of the mixing tool and the mixing container in the same direction has proven to be effective.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wandabstreifer zugleich auch als Bodenabstreifer ausgebildet, so dass der Abstreifer auch zumindest abschnittsweise die dauerhafte Anhaftung von Mischgut am Mischbehälterboden verhindert.In a preferred embodiment, the wall scraper is also designed as a floor scraper, so that the scraper also prevents the permanent adhesion of mixed material to the mixing container floor, at least in sections.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Wandabstreifer mit der Mischbehälterwand und vorzugsweise auch mit dem Mischbehälterboden in Kontakt steht und/oder dass das Mischwerkzeug mit dem Mischbehälterboden in Kontakt steht. Dadurch wird verhindert, dass sich ein dünner Film der Elektrodenmischung an der Wand bzw. dem Boden ausbildet. Da die direkte Berührung einen erhöhten Verschleiß der Behälterwand, des Behälterbodens bzw. von Wandabstreifer und Mischwerkzeug nach sich ziehen kann, ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Wandabstreifer und/oder das Mischwerkzeug zumindest an einem mit der Mischbehälterwand bzw. dem Mischbehälterboden in Kontakt stehenden Abschnitt aus einem Kunststoff, und zwar besonders bevorzugt aus PTFE oder Polyamid, gefertigt ist. Dabei können Mischwerkzeug und/oder Wandabstreifer vollständig aus Kunststoff oder nur der mit der Mischbehälterwand bzw. dem Mischbehälterboden in Kontakt stehende Bereich aus Kunststoff gefertigt sein.In a further preferred embodiment, it is provided that the wall scraper is in contact with the mixing container wall and preferably also with the mixing container bottom and/or that the mixing tool is in contact with the mixing container bottom. This prevents a thin film of the electrode mixture from forming on the wall or bottom. Since direct contact can result in increased wear on the container wall, the container bottom or the wall scraper and mixing tool, it is provided in a preferred embodiment that the wall scraper and/or the mixing tool is made of a plastic, particularly preferably PTFE or polyamide, at least on a section in contact with the mixing container wall or the mixing container bottom. The mixing tool and/or wall scraper can be made entirely of plastic or only the area in contact with the mixing container wall or the mixing container bottom can be made of plastic.
Auch das in der Vorrichtung verwendete Mischwerkzeug kann für die Herstellung der Elektrodenmischung optimiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass das Mischwerkzeug eine Werkzeugwelle und zumindest einen in radialer Richtung über die Werkzeugwelle vorstehendes Mischteil aufweist, wobei vorzugsweise mehrere Mischteile, die in axialer Richtung voneinander beabstandet angeordnet sind, oder das Mischteil aus einem innerhalb eines gedachten Kreisringes angeordneten Scherelements und einem in axialer Richtung über das Scherelement vorstehenden Wälzelement besteht. Besonders bevorzugt weist das Mischteil mehr als ein, z.B. zwei, über das Scherelement in axialer Richtung vorstehende Wälzelemente auf.The mixing tool used in the device can also be optimized for producing the electrode mixture. In a preferred embodiment, it is therefore provided that the mixing tool has a tool shaft and at least one mixing part that protrudes in the radial direction beyond the tool shaft, preferably several mixing parts that are arranged at a distance from one another in the axial direction, or the mixing part consists of a shearing element arranged within an imaginary circular ring and a rolling element that protrudes in the axial direction beyond the shearing element. The mixing part particularly preferably has more than one, e.g. two, rolling elements that protrude in the axial direction beyond the shearing element.
Das Mischteil kann radial nach außen gerichtete messerartige Elemente aufweisen. Es ist auch möglich, das Mischteil als Platte mit Außenverzahnung auszubilden.The mixing part can have blade-like elements directed radially outwards. It is also possible to design the mixing part as a plate with external teeth.
Aufgrund der hohen Werkzeuggeschwindigkeiten und teils abrasiven Rohstoffbestandteilen kann es zu Verschleiß am Mischteil kommen. Daher sind diese in einer bevorzugten Ausführungsform an den mit der Mischung in Kontakt stehenden Flächen, besonders gegen Verschleiß geschützt. Dies kann an den Mischerwellen oder am stationären Wand-/Bodenabstreifers bspw. über Sprühbeschichtungen mit Hartmetall oder Keramik oder alternativ mit Polyurethanen und anderen Kunststoffstoffen erfolgen, da bei Batterielektroden eine kupfer- und zinkfreie Aufbereitung besonders gefordert wird. Die Oberfläche der Mischteile kann ebenso durch Beschichtung, durch Herstellung aus einer Keramik oder aus einem pulvermetallurgischen Werkstoff oder durch Auftragsschweißung von Verschleißschutzelementen vor Verschleiß geschützt werden. Die axial aus dem Scherelement herausragenden Wälzelemente können bspw. aus einem Keramikwerkstoff oder aus einem pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoff, bspw. einem Hartmetall bestehen oder daraus hergestellte Elemente aufweisen, die auf einem Haltelement aus Stahl aufklebt bzw. aufgelötet sind.Due to the high tool speeds and sometimes abrasive raw material components, wear can occur on the mixing part. Therefore, in a preferred embodiment, these are particularly protected against wear on the surfaces in contact with the mixture. This can be done on the mixer shafts or on the stationary wall/floor scraper, for example, via spray coatings with hard metal or ceramic or alternatively with polyurethanes and other plastic materials, since copper and zinc-free processing is particularly required for battery electrodes. The surface of the mixing parts can also be protected against wear by coating, by manufacturing them from a ceramic or a powder metallurgical material or by welding on wear protection elements. The rolling elements protruding axially from the shear element can, for example, consist of a ceramic material or a powder metallurgically manufactured material, e.g. hard metal, or have elements made from them that are glued or soldered onto a steel holding element.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine pneumatische Fördereinrichtung vorgesehen, mit welcher das Mischgut aus dem Mischbehälter gefördert werden kann. Beispielsweise kann die pneumatische Fördereinrichtung als Sauglanze, die im Inneren des Mischbehälters angeordnet ist oder angeordnet werden kann, ausgebildet sein. Sie kann beispielsweise auch in den Wandabstreifer integriert werden. Bevorzugt endet die Sauglanze am Mischbehälterboden an der radial innersten unteren Ecke des Wandabstreifers oder in der vom Mischbehälter und Wandabstreifer gebildeten Ecke an der Wand in Anströmrichtung des Mischguts.In a further preferred embodiment, a pneumatic conveying device is provided with which the mixed material can be conveyed out of the mixing container. For example, the pneumatic conveying device can be designed as a suction lance that is or can be arranged inside the mixing container. It can also be integrated into the wall scraper, for example. The suction lance preferably ends on the mixing container floor at the radially innermost lower corner of the wall scraper or in the corner formed by the mixing container and wall scraper on the wall in the direction of flow of the mixed material.
In diesem Fall muss der Behälterboden keine Entleeröffnung aufweisen. Insbesondere durch die Maßnahme in Schritt E) wird die strukturierte Trockenmischung rieselfähig, sodass sie einfach mit Hilfe der Fördervorrichtung abgesaugt werden kann.In this case, the container bottom does not need to have an emptying opening. The measure in step E) in particular makes the structured dry mixture free-flowing, so that it can be easily sucked out using the conveying device.
Es ist alternativ auch möglich, dass der Mischbehälterboden eine verschließbare Entleeröffnung aufweist und unter der Entleeröffnung eine pneumatische Förderleitung derart angeordnet ist, dass über die Entleeröffnung aus dem Mischbehälter austretendes Mischgut in die pneumatische Förderleitung fällt. Alternativ kann auch eine mechanische Abzugsvorrichtung wie ein Band oder eine Vibrorinne oder einfach ein Auffangbehälter unter der Entleeröffnung angeordnet sein.Alternatively, it is also possible for the bottom of the mixing container to have a closable emptying opening and for a pneumatic conveying line to be arranged under the emptying opening in such a way that mixed material emerging from the mixing container via the emptying opening falls into the pneumatic conveying line. Alternatively, a mechanical discharge device such as a belt or a vibrating chute or simply a collecting container can be arranged under the emptying opening.
Dabei kann die pneumatische Fördereinrichtung mit Schutzgas betrieben werden, wobei vorzugsweise das Schutzgas in einem geschlossenen Kreislauf gefördert wird. Das Schutzgas bietet beispielsweise trockene Luft an, um zu verhindern, dass während des Prozesses Feuchtigkeit eingeführt wird. Die Luft kann zur Erzielung eines sehr niedrigen Taupunktes besonders konditioniert werden.The pneumatic conveying device can be operated with protective gas, whereby the protective gas is preferably conveyed in a closed circuit. The protective gas provides, for example, dry air to prevent moisture from being introduced during the process. The air can be specially conditioned to achieve a very low dew point.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der zugehörigen Figuren. Es zeigen:
-
1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mischers, -
2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mischers und -
3 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a first embodiment of a mixer according to the invention, -
2 a second embodiment of a mixer according to the invention and -
3 a flow chart of the method according to the invention.
In
Im Mischbehälters ist ein Mischwerkzeug angeordnet, welches um die Mischwerkzeugachse w mit Hilfe eines Motors 4 und eines Antriebsriemen 5 gedreht werden kann. Die Behälterwand ist doppelwandig ausgeführt und mit einem Trennblech versehen, welches den in der Doppelwand gebildeten Hohlraum in einen inneren Abschnitt 6 und einen äußeren Abschnitt 7 unterteilt. Über die Fluidzuführung 8 kann ein Temperierfluid, z.B. ein Kühlfluid in der gezeigten Ausführungsform in den inneren Abschnitt 6 eingebracht werden, sodass das Kühlfluid in Pfeilrichtung entlang des Bodens und der Wand strömt und bis in den äußeren Bereich 7 gelangt und dort wieder abgezogen wird. Die Fluidzuführung 8 ist hier als Drehdurchführung ausgeführt, die sowohl die Zu- als auch die Abführung des Fluids bewerkstelligt und das Fluid vom stehenden Teil auf den drehenden Teil des Behälters überträgt.A mixing tool is arranged in the mixing container, which can be rotated around the mixing tool axis w with the help of a
Alternativ kann auf das Trennblech verzichtet werden. Dann sollte ein Rückführkanal auf der Außenwand des Doppelmantels angeordnet sein, um das Temperierfluid abziehen zu können.Alternatively, the separating plate can be omitted. In this case, a return channel should be arranged on the outer wall of the double jacket in order to be able to drain the tempering fluid.
Mit Hilfe des Temperierfluids kann somit der Behälter und damit auch die im Behälter aufgenommene Mischung erwärmt oder abgekühlt werden. Dass Mischwerkzeug 3 hat mehrere Mischteile 9, 10. Die Mischteile 10, die im oberen Teil des Mischwerkzeugs 3 angeordnet sind, bestehen aus einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Kreisringen, welche an ihrer Umfangsfläche Aussparungen aufweisen können (nicht gezeigt), um die einzubringenden Scherkräfte zu erhöhen.With the help of the tempering fluid, the container and thus also the mixture contained in the container can be heated or cooled. The
Die mit der Bezugszahl 10 versehenen Scheiben können, wie in der Ausführungsform in
In der gezeigten Ausführungsform in
Des Weiteren ist ein Wandabstreifer 13 vorgesehen, der mit der Behälterwand 1 und mit einem kreisringförmigen Bereich des Behälterbodens 2 in Kontakt steht, um Anhaftungen von der Elektrodenmischung an der Behälterwand und den nicht von den unteren Wälzelementen 12 überstrichenen Bodenbereichen zu verhindern.Furthermore, a
Zur Entnahme der fertigen Mischung ist eine Sauglanze 14 in den Mischbehälter einbringbar bzw. von einer angehobenen Position, in welcher die Sauglanze nicht in das Mischgut eintaucht und einer unteren Position, in welcher die Sauglanze in das Mischgut eintaucht, hin- und her bewegbar.To remove the finished mixture, a
In
Über die Sauglanze 14 kann die fertige Mischung abgesaugt werden. Die Sauglanze 14 ist in dieser Ausführungsform ebenfalls doppelwandig ausgeführt, wobei über den Hohlraum der Doppelwand Fördergas über eine Zuführung 15 zugeführt werden kann. Das Mischgut wird über die Sauglanze 14 abgesaugt und im Separator bzw. Filter 16 vom Fördergas getrennt. Das Fördergas kann vollständig über die Zuführung 15 wieder in den Behälter eingebracht werden und kann als Schutzgas ausgebildet sein, z. B. als trockene Luft, um ein unerwünschtes Befeuchten des Mischguts zu verhindern. Das im Filter 16 vom Fördergas abgetrennte Mischgut kann am unteren Ende des Filters über ein Klappen- oder Schleusensystem (nicht dargestellt) ausgetragen werden.The finished mixture can be sucked out via the
In
Im Folgenden werden daher lediglich die Unterschiede zu der Ausführungsform von
Das Mischwerkzeug 3 weist hier deutlich mehr der kreisringförmigen Mischteile 10 auf. Das untere Mischteil 9 hat nur nach unten ausgerichtete Wälzelemente 12. Das nach oben ausgerichtete Wälzelement 11 fehlt. Der Mischbehälter hat im Behälterboden 2 eine Öffnung, welche mittels eines kugelsegmentartigen Verschlusses 17 zur Entleerung des Behälters geöffnet werden kann. Das aus der Entleeröffnung fallende Mischgut fällt in die Auffangwanne 18 einer Fördereinrichtung, die in der gezeigten Ausführungsform pneumatisch betrieben ist. Das Mischgut wird von dem Förderfluid entlang der Leitung 19 in den Separator 16 transportiert. Das Förderfluid wird dann einerseits über die Leitung 20 wieder in den Mischbehälter und über die Leitung 21 wieder in die Wanne 18 geführt. Das System kann im Wesentlichen luftdicht abgeschlossen sein, sodass eine Schutzgasatmosphäre aufrechterhalten werden kann.The
Da nun der Behälterboden 2 eine Entleeröffnung aufweist, ist die Kühl- bzw. Heizeinrichtung etwas anders aufgebaut. Über die Zu- und Abführung 8 der Kühleinrichtung wird über eine sich bis in die Doppelwand des Behälterbodens 2 erstreckende Leitung 22 Temperierfluid zugeführt und über eine sich nur bis kurz unterhalb des Füllstandes des Temperierfluids erstreckende Leitung 23 wieder abgesaugt. Das Temperierfluid wird mittels einer Pumpe im Kreislauf geführt und über einem Wärmetauscher die aus dem Doppelmantel ausgetragene Wärme an einen externen, zweiten Kühlkreislauf abgeführt. Durch die Förderung des Temperierfluids im Kreislauf wird automatisch der Füllstand im Doppelmantel konstant gehalten.Since the
Alternativ kann auch nur die seitliche Wand des Mischbehälters mit einem Doppelmantel versehen werden, so dass die Zuführleitung 22 in der Nähe des Behälterbodens endet.Alternatively, only the side wall of the mixing container can be provided with a double jacket so that the
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der in
In Schritt 1) wird ein Additiv z.B. ein Leitadditiv, welches für die Herstellung der Elektrodenmischung verwendet werden soll, in mehrere, z.B. zwei Teile aufgeteilt. Der erste Teil wird dann in Schritt A) mit dem aktiven Material gemischt. Ziel dieses Schrittes ist es, dass das aktive Material mit dem Teil der Additive umhüllt wird bzw. durch diese beschichtet wird.In step 1), an additive, e.g. a conductive additive, which is to be used to produce the electrode mixture, is divided into several parts, e.g. two parts. The first part is then mixed with the active material in step A). The aim of this step is for the active material to be coated with the additive part.
Erst danach wird in Schritt 2) ein weiterer Teil (im Beispiel der restliche Teil) der Additive hinzugefügt und die aktiven Materialien und die Additive in Schritt B) miteinander vermischt. Durch diese Maßnahme ist eine bessere Umhüllung/Beschichtung der aktiven Materialien mit den Additiven erzielbar.Only then is another portion (in the example the remaining portion) of the additives added in step 2) and the active materials and the additives are mixed together in step B). This measure enables a better coating of the active materials with the additives.
Wird stattdessen die gesamte Menge an Additiven gleichzeitig zugegeben, muss deutlich mehr Sorgfalt in den Durchmischungsschritt gelegt werden, da die Additive ihrerseits dazu neigen können, Agglomerate zu bilden und sich von den aktiven Materialien zu trennen. Wird ein sich drehendes Mischwerkzeug verwendet, so sollte die Umfangsgeschwindigkeit des Mischwerkzeuges in Schritt B) 10 bis 80 m/s, besser zwischen 20 und 50 m/s und am besten zwischen 25 und 35 m/s betragen. In Schritt A) kann eine geringerer Umfangsgeschwindigkeit gewählt werden.If, instead, the entire amount of additives is added at the same time, much more care must be taken in the mixing step, as the additives themselves can tend to form agglomerates and separate from the active materials. If a rotating mixing tool is used, the peripheral speed of the mixing tool in step B) should be 10 to 80 m/s, preferably between 20 and 50 m/s and most preferably between 25 and 35 m/s. In step A), a lower peripheral speed can be selected.
In Schritt W wird überprüft, ob bereits alle gewünschten Bestandteile in vollem Umfang hinzugefügt worden sind. Falls ja, wird mit Schritt C fortgesetzt. Falls nein, und im beschriebenen Beispiel wurde noch kein Binder hinzugefügt, werden die Schritte K), A), K), B) wiederholt, bis alle gewünschten Bestandteile vollumfänglich hinzugefügt worden sind.In step W, it is checked whether all the desired components have already been fully added. If so, the process continues with step C. If not, and in the example described no binder has been added yet, steps K), A), K), B) are repeated until all the desired components have been fully added.
In der bevorzugten Ausführungsform werden somit mit den Schritten K), A), K), B) alle Binderbestandteile hinzugefügt.In the preferred embodiment, all binder components are added with steps K), A), K), B).
In dem zweiten Schritt A) (nach Schritt K)) werden die Edukte der Elektrodenmischung miteinander gemischt. Nach einem weiteren Schritt K) schließt sich ein weiterer Schritt B) an, in dem wieder eine zweite mechanische Leistung P2 in die im Behälter aufgenommenen Substanzen mittels Scherkräften eingebracht wird.In the second step A) (after step K)), the reactants of the electrode mixture are mixed together. After a further step K), a further step B) follows in which a second mechanical power P 2 is introduced into the substances held in the container by means of shear forces.
Insbesondere Schritt B) aber auch alle anderen Schritte können beispielsweise durch scharfkantige, schnell rotierende Mischwerkzeuge bzw. in entsprechend ausgestalteten Mischern mit solchen Mischwerkzeugen erfolgen. Während dieses Schrittes kommt es aufgrund der eingebrachten mechanischen Leistung P2 zu einer Erwärmung, die gegebenenfalls durch entsprechende Wärmeenergie von außen verstärkt oder durch Wärmeabfuhr nach außen vermindert werden kann. Die Temperatur, die in der Mischung erreicht wird, bleibt erfindungsgemäß unter 70 °C, da dies überraschenderweise ausreicht, um zu erreichen, dass die Polymere des Kunststoffbinders an der Partikeloberfläche anhaften und zu fadenförmigen Strukturen gezogen werden, sodass sich eine Netzwerkstruktur bildet, in welcher die zuvor gebildete Partikelverbundstruktur eingebunden ist. Mit 70 °C liegt die Temperatur überraschenderweise deutlich unterhalb der für die Fibrillierung von PTFE als optimal angesehenen Temperaturen von 80 - 120°C. Die Temperatur hat sich jedoch als völlig ausreichend für eine optimale Anhaftung der Polymere an den Partikeloberflächen gezeigt. Durch die intensive und gezielte Fibrillierung und die damit einhergehende Ausbildung einer Netzstruktur entstehen im Mischer teilweise klumpige bis hin zu plastischen, teigförmigen Massen, die sich einer einfachen Entleerung, einem anschließenden Materialtransport und schlussendlich einer präzisen und gleichförmigen Dosierung auf die metallische Folie entziehen.In particular, step B) but also all other steps can be carried out, for example, using sharp-edged, rapidly rotating mixing tools or in appropriately designed mixers with such mixing tools. During this step, heating occurs due to the mechanical power P 2 introduced, which can optionally be increased by corresponding thermal energy from the outside or reduced by heat dissipation to the outside. The temperature reached in the mixture remains below 70 °C according to the invention, since this is surprisingly sufficient to ensure that the polymers of the plastic binder adhere to the particle surface and are drawn into thread-like structures, so that a network structure is formed in which the previously formed particle composite structure is integrated. At 70 °C, the temperature is surprisingly well below the temperature required for fibrillation. of PTFE, temperatures of 80 - 120°C are considered optimal. However, this temperature has proven to be completely sufficient for optimum adhesion of the polymers to the particle surfaces. Due to the intensive and targeted fibrillation and the associated formation of a network structure, masses ranging from lumpy to plastic, dough-like masses are created in the mixer, which evade simple emptying, subsequent material transport and ultimately precise and uniform dosing onto the metallic foil.
Um die gebildeten Fibrillen bzw. Polymerfasern nicht zu zerstören und damit zu verkürzen und eine Anhaftung an Partikeloberflächen bzw. Verkettung und Streckung zu immer mehr feineren und dünneren Fasern untereinander zu fördern wird schließlich in Schritt C) die mechanische Leistung P3 gegenüber der mechanischen Leistung P2 reduziert. Eine weitere Temperaturerhöhung und Zerkleinerung der gebildeten Faserlänge wird somit vermieden. Eine Abkühlung soll ebenso weitestgehend vermieden werden, um die Masse auf nahezu konstantem Temperaturniveau reifen zu lassen. Die fibrillierte Masse plastifiziert dabei immer stärker und bildet abhängig vom Bindergehalt eine teigförmige, gut formbare Masse.In order not to destroy and thus shorten the fibrils or polymer fibers formed and to promote adhesion to particle surfaces or linking and stretching to form ever finer and thinner fibers, the mechanical power P 3 is finally reduced in step C) compared to the mechanical power P 2. A further increase in temperature and comminution of the fiber length formed is thus avoided. Cooling should also be avoided as far as possible in order to allow the mass to mature at an almost constant temperature level. The fibrillated mass plasticizes more and more and, depending on the binder content, forms a dough-like, easily moldable mass.
Hat sich in Schritt B) bereits eine ausreichend formbare plastische Masse ergeben, die durch die Reifung in Schritt C) nicht oder kaum mehr weiter verbessert werden kann, so kann Schritt C) auf wenige Sekunden reduziert oder auch ganz übersprungen werden.If step B) has already produced a sufficiently malleable plastic mass that cannot or can hardly be further improved by the maturation in step C), step C) can be reduced to a few seconds or skipped altogether.
Um daher diese klumpigen bis plastischen Massen in eine Form zu überführen, sodass sie leicht aus dem Mischer entnommen werden können und zwischen Mischer und nachgelagertem Verarbeitungsprozess problemlos, idealerweise über einige Meter lange Strecken transportierbar und vor allem gut dosierfähig sind, schließt sich Schritt D) an, bei dem die Mischung auf eine Temperatur TL von z.B. 45 °C abgekühlt wird, während in das Material eine vierte mechanische Leistung P4 eingebracht wird, die ebenso geringer als die zweite mechanische Leistung P2 ist. Die vierte mechanische Leistung P4 kann auch kleiner als die dritte mechanische Leistung P3 gewählt werden. Wird eine Mischwerkzeug verwendet, kann die Umfangsgeschwindigkeit beispielsweise auf 5 m/s oder weniger reduziert werden.In order to therefore transfer these lumpy to plastic masses into a form so that they can be easily removed from the mixer and transported between the mixer and the downstream processing process without any problems, ideally over distances of several meters, and above all, can be easily dosed, step D) follows, in which the mixture is cooled to a temperature T L of, for example, 45 °C, while a fourth mechanical power P 4 is introduced into the material, which is also lower than the second mechanical power P 2. The fourth mechanical power P 4 can also be selected to be lower than the third mechanical power P 3. If a mixing tool is used, the peripheral speed can be reduced to, for example, 5 m/s or less.
Während der Abkühlung „erstarrt“ die plastische Masse und wird durch die Bewegung durch das Mischwerkzeug und den drehenden Mischbehälter in eine klumpige bis krümelige Struktur mit sehr breiter Partikelgrößenverteilung zerteilt. Je tiefer die Mischguttemperatur liegt, um so krümeliger wird das Mischgut. Die Mischung ist an diesem Punkt zwar gut transportfähig aber aufgrund der breiten Partikelgrößenverteilung noch schlecht dosierfähig, insbesondere wenn eine Dosierung über einen breiteren Dosierquerschnitt gleichförmig erfolgen soll.During cooling, the plastic mass "solidifies" and is broken down into a lumpy to crumbly structure with a very broad particle size distribution by the movement of the mixing tool and the rotating mixing container. The lower the temperature of the mixture, the more crumbly the mixture becomes. At this point, the mixture is easy to transport but is still difficult to dose due to the broad particle size distribution, especially if dosing is to be carried out uniformly over a wider dosing cross-section.
Um die Dosierfähigkeit weiter zu verbessern, wird die Mischung - nachdem die Abkühlung erfolgt ist - in einem weiteren Schritt E) zerkleinert, was beispielsweise durch das verwendete Mischwerkzeug verwirklicht werden kann, was mit einer deutlich erhöhten zweiten Mischgeschwindigkeit betrieben wird, wodurch eine fünfte mechanische Leistung P5 eingebracht wird. Wird eine Mischwerkzeug verwendet, kann die Umfangsgeschwindigkeit des Mischwerkzeuges beispielsweise auf 5 bis 20 m/s erhöht werden.In order to further improve the dosing capability, the mixture is crushed in a further step E) after cooling has taken place, which can be achieved, for example, by the mixing tool used, which is operated at a significantly increased second mixing speed, thereby introducing a fifth mechanical power P 5. If a mixing tool is used, the peripheral speed of the mixing tool can be increased, for example, to 5 to 20 m/s.
Dabei werden Agglomerate erzeugt, die eine durchschnittliche Korngröße zwischen 0,05 und 5 mm aufweisen und daher sehr gut gravimetrisch über breite Dosierquerschnitte dosierfähig sind. Damit ist die entsprechende Elektrodenmischung hergestellt. Diese kann in Schritt F) ausgewalzt und auf eine Ableitfolie auflaminiert werden, um eine Elektrode herzustellen.This produces agglomerates that have an average grain size of between 0.05 and 5 mm and can therefore be gravimetrically dosed very well over wide dosing cross-sections. This produces the corresponding electrode mixture. This can be rolled out in step F) and laminated onto a conductive foil to produce an electrode.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele angegeben:
In Ausführungsbeispiel 4 wird kein Additiv verwendet. In den Ausführungsbeispielen 1 und 2 wird bereits in Schritt A) Binder zugegeben. Bei allen anderen Ausführungsbeispielen erst in Schritt B) bzw. in dem zuletzt durchgeführten Schritt B) oder im ersten Schritt K). Die Schritte C) bis E) entfallen beim 2. und 3. Ausführungsbeispiel. Während Schritt D) beim 1. Ausführungsbeispiel sowie den Ausführungsbeispielen 4-7 durchgeführt wird, ist dies für die Schritte C und E optional.In
Es hat sich gezeigt, dass zumindest der zuletzt durchgeführte Schritt B) während einer Dauer von 3-30 Minuten und am besten während einer Dauer von 3-10 Minuten durchgeführt wird. Die Temperatur am Ende von Schritt B) sollte kleiner als 70° C und am besten zwischen 50°C und 70°C liegen.It has been shown that at least the last step B) is carried out for a period of 3-30 minutes and preferably for a period of 3-10 minutes. The temperature at the end of step B) should be less than 70°C and preferably between 50°C and 70°C.
Schritt C) wird vorzugsweise während einer Dauer zwischen 1 und 10 Minuten durchgeführt, bei welcher die Temperatur der aufgenommenen Substanzen nahezu konstant gehalten wird. Bei Bedarf kann Schritt C) für eine merkliche Verbesserung der Netzwerkstruktur auch länger ausgeführt werden.Step C) is preferably carried out for a period of between 1 and 10 minutes, during which the temperature of the absorbed substances is kept almost constant. If necessary, step C) can also be carried out for longer in order to achieve a noticeable improvement in the network structure.
Während Schritt D) erfolgt ein Abkühlen und gleichzeitig eine Grobzerkleinerung. Dieser Schritt sollte während einer Zeitdauer zwischen 3 und 90 Minuten und besonders bevorzugt zwischen 3 und 30 Minuten erfolgen, wobei die Temperatur unter 45 °C, vorzugsweise unter 40 °C und am besten unter 35 °C absinkt.During step D), cooling and coarse grinding take place at the same time. This step should take place for a period of between 3 and 90 minutes and particularly preferably between 3 and 30 minutes, with the temperature falling below 45 °C, preferably below 40 °C and most preferably below 35 °C.
Schritt E) sollte nur während einer kurzen Zeitdauer zwischen 5 und 60 Sekunden und vorzugsweise zwischen 5 Sekunden und 30 Sekunden erfolgen. Dabei sollte die Temperatur nicht wieder ansteigen oder sich zumindest nur geringfügig ändern.Step E) should only be carried out for a short period of time between 5 and 60 seconds and preferably between 5 seconds and 30 seconds. During this time the temperature should not rise again or at least should only change slightly.
Bezugszeichenlistelist of reference symbols
- 11
-
Behälterwand 1
container wall 1 - 22
-
Behälterboden 2
container bottom 2 - 33
- Mischwerkzeugmixing tool
- 44
- MotorMotor
- 55
- Antriebsriemendrive belt
- 66
- innerer Abschnitt in der Doppelwandinner section in the double wall
- 77
- äußerer Abschnitt in der Doppelwandouter section in the double wall
- 88
- Fluidzu- und -abführungfluid supply and discharge
- 9, 109, 10
- Mischteilmixing part
- 11, 1211, 12
- Wälzelementrolling element
- 1313
- Wandabstreiferwall scraper
- 1414
- Sauglanzesuction lance
- 1515
- Zuführungfeeding
- 1616
- Separatorseparator
- 1717
- kugelsegmentartiger Verschlussspherical segment-like closure
- 1818
- Auffangwannedrip tray
- 19, 20, 21, 22, 2319, 20, 21, 22, 23
- LeitungLine
Claims (23)
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