Batterietechnologie Die Rolle von Labormühlen in der Erforschung, Produktion, Qualitätskontrolle und dem Recycling von Batterien
Von der Forschung über die Herstellung und Qualitätssicherung bis hin zum Recycling sind RETSCH Labormühlen in jeder Phase der Wertschöpfungskette der Batterieproduktion von entscheidender Bedeutung. In der Batterieforschung spielen Kugelmühlen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung neuer Materialsysteme.
Giga-Fabriken, Recyclingbetriebe und Prüflabore setzen auf RETSCH-Mühlen, um Batteriekomponenten und Batteriematerialien zu homogenisieren und für eine umfassende qualitative Analyse vorzubereiten. RETSCH bietet Lösungen von der Vorzerkleinerung über die Feinvermahlung und Probenteilung bis hin zur Partikelgrößenanalyse durch Siebung an.
Die Rolle von Kugelmühlen in der Batterietechnologie
In diesem White Paper werden die vier Hauptanwendungsbereiche von RETSCH Laborkugelmühlen in der Batterietechnik anhand von konkreten Anwendungsbeispielen vorgestellt: Reduzierung der Partikelgröße von Batteriematerialien | Mischen und Partikelbeschichtung | Synthese von neuen Batteriematerialien | Probenvorbereitung für die Analyse Der einführende Teil vermittelt ein grundlegendes Verständnis des Funktionsprinzips und gibt Hinweise zur Handhabung von Laborkugelmühlen. Zusätzliche Informationen zu RETSCH und zu Produkten der anderen Verder Scientific Unternehmen werden in Form von Randnotizen gegeben und vervollständigen das Lösungsangebot von Verder Scientific für die Batterietechnologie.
Applications for battery technology
Read how RETSCH’s crushers, mills and sieve shakers are used for pulverization and size analysis of basic materials, components and recycling fractions.
Zerkleinerung von Batteriematerialien
Die Partikelgröße und die Partikelgrößenverteilung der aktiven Materialien bestimmen maßgeblich die Performance der Batterie, wie z.B. Kapazität, Leistungsdichte, Ratenfähigkeit, Energiedichte, Lebenszyklusstabilität und Sicherheit. RETSCH Labormühlen werden für die Partikelzerkleinerung von Rohstoffen wie Nickel, Mangan, Kobalt, lithiumhaltigem Material oder Graphit oder für die Deagglomeration von aktiven Elektrodenmaterialien eingesetzt.
Zerkleinerung von Silizium
Zerkleinerung von LPS unter kontrollierter Atmosphäre und Temperatur
Zerkleinerung von Graphit auf Nanometergröße durch Nassvermahlung
Mischen und Beschichten von Batteriematerialien
Eine Vielzahl von Misch- und Beschichtungsprozessen sind Teil de Batterieproduktion. Zum Mischen werden verschiedene Geräten eingesetzt, darunter Rührer und Vortex-Mischer, aber auch Kugelmühlen können geeignet sein, insbesondere für Anwendungen in der Forschung. Die kontinuierliche Bewegung des Probenmaterials in einer Kugelmühle, unabhängig von der Höhe des Energieeintrags oder dem Vorhandensein von Kugeln, führt zu hervorragenden Misch- und Beschichtungsergebnissen.
Mischen
Kugelmühlen sind sowohl für das Nassmischen von Slurries als auch für das Trockenmischen von Schüttgütern geeignet. Ein Beispiel für ein Trockenmischverfahren ist die Herstellung von Aktivkathodenmaterialien, die eine präzise stöchiometrische Mischung von trockenen Bestandteilen erfordert. Bei Nassmischprozessen, wie z.B. der Herstellung von Elektrodenslurry, müssen Faktoren wie Materialzusammensetzung, Mischintensität, Temperaturschwankungen, Viskositätsänderungen und die Reihenfolge der Zugabe von Chemikalien untersucht werden.
RETSCH Schwingmühlen bieten die volle Kontrolle über Parameter wie Energieeintrag, Zeit und Temperatur. Weitere Vorteile sind die Auswahl an Mahlbecherwerkstoffen und -größen, die Möglichkeit, unter inerten Bedingungen zu arbeiten, und die Option, mehrere Proben gleichzeitig zu vermahlen.
Beschichten
Synthese neuer Batteriematerialien
Die mechanochemische Synthese ist besonders im Bereich der Batterietechnologie populär geworden, wo sie zur Herstellung innovativer Elektrolyte, Separatoren oder mehrphasiger Verbundstoffe von hoher Reinheit oder zur Optimierung ihrer Mikrostruktur eingesetzt wird. So können beispielsweise neuartige Festelektrolyte durch ein lösungsmittelfreies Verfahren synthetisiert oder deren Leistung und Stabilität verbessert werden. Eine weitere Anwendung liegt in umweltfreundlichen Recyclingreaktionen wie der mechanochemischen Reduktion von Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien. Alle Arten von Kugelmühlen sind für die mechanische Synthese geeignet. Da es sich in der Regel um luftempfindliche und teure Chemikalien handelt, ist die chargenweise Verarbeitung in kleinvolumigen Behältern - wie sie für RETSCH Schwingmühlen verfügbar sind - von Vorteil.
Prozesskontrolle mit GrindControl
Die Überwachung von Temperatur und Druck ist bei der Entwicklung von Batteriematerialien von entscheidender Bedeutung, um optimale Bedingungen für die Erhaltung der Materialintegrität zu gewährleisten. Diese Parameter beeinflussen die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Materialien und wirken sich direkt auf deren Leistung aus. Eine genaue Kontrolle dieser Bedingungen ist unerlässlich, um konsistente Ergebnisse zu erzielen und eine erfolgreiche Skalierung der Produktionsprozesse zu ermöglichen. Zur Messung von Temperatur und Druck im Inneren des Mahlbechers sind spezielle Deckel erhältlich.
RAMAN-Spektroskopie mit Schwingmühlen
Schwingmühlen eignen sich besonders gut für die In-situ-RAMAN-Spektroskopie, die eine detaillierte Untersuchung der mechanochemischen Reaktionskinetik ermöglicht. Die MM 400 ist mit einer abnehmbaren Bodenplatte ausgestattet, die zwei Öffnungen aufweist, durch die das RAMAN-Spektrometer auf den Boden der transparenten PMMA-Mahlbecher zeigt. Die Mühle erlaubt Betriebszeiten von bis zu 99 Stunden.
Arbeiten unter inerter Atmosphäre
Das übliche Verfahren für den Umgang mit atmosphärisch empfindlichen Materialien ist das Befüllen und Öffnen der Mahlbecher in der Glovebox. Es können auch Begasungsdeckel verwendet werden, um die Atmosphäre im geschlossenen Becher zu kontrollieren oder zu verändern. Es ist auch möglich, eine komplette Planeten-Kugelmühle in eine Glovebox zu stellen.
Batterierecycling im Labormaßstab
1. Zerkleinerung
Beim Recycling ist die Zerkleinerung kompletter oder zerlegter Batterien einer der ersten Schritte. In der Erforschung neuer Recyclingwege wird die Zerkleinerung im kleinen Maßstab mit RETSCH Schneidmühlen durchgeführt.
Zylindrische Zellen
Pouch-Zellen
Leichte oder schwere Fraktion
2. Fraktionierung mit Siebmaschinen
Siebmaschinen wie die der AS 200-Serie von RETSCH eignen sich für die Trennung verschiedener Materialfraktionen, zum Beispiel Schwarzmasse, polymere und metallische Teile.
3. Probenvorbereitung von Recyclingfraktionen
Sowohl bei Forschungsprojekten als auch bei großtechnischen Recyclingverfahren ist die Analyse der chemischen Zusammensetzung von Recyclingmaterialfraktionen unerlässlich. Aufgrund der inhomogenen Beschaffenheit dieser Materialien müssen sie für eine genaue Analyse mechanisch aufbereitet und zu feinen Pulvern homogenisiert werden. Insbesondere die Polymerfraktionen müssen vermahlen werden, um den Mikrowellenaufschluss und die ICP-MS-Analyse zu erleichtern und die Quantifizierung von Restmetallen wie Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan zu ermöglichen. Darüber hinaus wird der Marktwert der Schwarzfraktion durch ihren Gehalt an wertvollen Metallen wie Lithium und Kobalt beeinflusst. Um eine zuverlässige Probenaufbereitung zu gewährleisten, bietet RETSCH eine umfassende Auswahl an Mühlen, die sowohl für die Vorzerkleinerung als auch für die Feinvermahlung geeignet sind.
Gehäuseteile
SM300
60 mm / <4 mm
Polymerfolie
CryoMill
10 mm / <800 µm
Metallfolie
MM 500 control
15 mm / <800 µm
Schwarze Masse
MM 400
2 mm / <300 µm
Verschiedene Materialfraktionen eines Recyclingprozesses, vor und nach der Homogenisierung für die anschließende Analyse zur Bestimmung von Reinheit und Marktwert.
Probenvorbereitung von Batterien für die Analyse
Für die analytische Charakterisierung von Materialien werden in der Regel nur geringe Mengen benötigt, die von einigen Gramm bis zu Milligramm reichen. Ohne eine angemessene Probenvorbereitung sind die Analyseergebnisse nicht aussagekräftig. Um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen, muss die Probe wirklich repräsentativ sein, d. h. ihre Zusammensetzung sollte das gesamte Ausgangsmaterial widerspiegeln. Dies erfordert eine gründliche mechanische Homogenisierung durch Mahlen und Mischen vor der Probenahme. Außerdem muss vermieden werden, dass während der Probenvorbereitung Verunreinigungen in das Material gelangen, da dies die Ergebnisse verfälschen könnte.
Probenvorbereitung für Röntgenanalytik
- Nickelgehalt in Laterit-Erzen
- Verunreinigungen wie Eisen in Siliziumrohmaterial
- den Grad der Graphitierung
- Edelmetallrückstände in der recycelten Polymerfraktion
Für die RD-Spektroskopie müssen die Proben in der Regel auf eine Partikelgröße <100 µm vermahlen werden. Backenbrecher und Probenteiler werden für die Vorzerkleinerung und Teilung verwendet, gefolgt von einer Feinvermahlung in einer Kugel- oder Scheibenmühle. Schließlich wird eine Tablette gepresst, um eine verdichtete Probe mit hoher Elementkonzentration und glatter Oberfläche zu erhalten, die eine optimale Detektierbarkeit der Elemente gewährleistet.
Probe von Manganoxid vor und nach der Vermahlung in der PM 100. Für die Röntgenfluoreszenzanalyse wird die Probe zu einem Pellet gepresst.
Für die RDA sind ein schonenderes Mahlverfahren und noch feinere Partikelgrößen erforderlich, um die Kristallgitterstruktur der Probe zu erhalten. Die XRD-Mühle McCrone ist für diese Anwendung ideal geeignet.
Kupfererzprobe im Original (links), vorzerkleinert in einem Backenbrecher (Mitte) und aufbereitet mit der XRD-Mill McCrone für die Analyse der Molekularstruktur mittels Röntgenbeugung.
Sehen Sie sich unser interaktives Themenposter mit kurzen Videos zur Probenvorbereitung für XRF/XRD an.
RETSCH Geräte für die Probenvorbereitung zur RFA/RD
Probenvorbereitung von metallhaltigen Batteriematerialien
Probenvorbereitung von Polymeren
Polymere, die in Batteriekomponenten verwendet werden, stellen besondere Anforderungen an die mechanische und thermische Beständigkeit. Daher ist eine Analyse ihrer chemischen Zusammensetzung unerlässlich, um ihre Grenzen zu verstehen und die geeignete Zusammensetzung zu formulieren. Schneidmühlen werden für die Vorzerkleinerung von makroskopischen Polymerteilen verwendet, in der Regel gefolgt von einer Pulverisierung in einer Kugelmühle. In beiden Fällen kann es erforderlich sein, die Probe in flüssigem Stickstoff zu verspröden, um eine effektive Zerkleinerung zu gewährleisten.
Das CryoKit ermöglicht das manuelle Kühlen der Probe vor der Vermahlung in der Kugelmühle. Darüber hinaus bietet RETSCH Mühlen mit integriertem Kühlsystem an, wie z.B. die CryoMill und die Schwingmühle MM500 control. Diese Laborkugelmühlen sind speziell für die Vermahlung elastischer Materialien unter kryogenen Bedingungen konzipiert. Dabei wird die Probe auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt, während die Mühle den Mahlbecher aktiv auf einer konstanten Temperatur von -196°C hält und so eine effiziente und effektive Vermahlung gewährleistet.
Kühlung der Polymerprobe mit CryoKit
Polymerprobe zerkleinert in der CryoMill
Polymerprobe zerkleinert in der MM 500 control
3. Probenvorbereitung von Recyclingfraktionen
Sowohl bei Forschungsprojekten als auch bei großtechnischen Recyclingverfahren ist die Analyse der chemischen Zusammensetzung von Recyclingmaterialfraktionen unerlässlich. Aufgrund der inhomogenen Beschaffenheit dieser Materialien müssen sie für eine genaue Analyse mechanisch aufbereitet und zu feinen Pulvern homogenisiert werden. Insbesondere die Polymerfraktionen müssen vermahlen werden, um den Mikrowellenaufschluss und die ICP-MS-Analyse zu erleichtern und die Quantifizierung von Restmetallen wie Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan zu ermöglichen. Darüber hinaus wird der Marktwert der Schwarzfraktion durch ihren Gehalt an wertvollen Metallen wie Lithium und Kobalt beeinflusst. Um eine zuverlässige Probenaufbereitung zu gewährleisten, bietet RETSCH eine umfassende Auswahl an Mühlen, die sowohl für die Vorzerkleinerung als auch für die Feinvermahlung geeignet sind.
Gehäuseteile
SM300
60 mm / <4 mm
Polymerfolie
CryoMill
10 mm / <800 µm
Metallfolie
MM 500 control
15 mm / <800 µm
Schwarze Masse
MM 400
2 mm / <300 µm
Verschiedene Materialfraktionen eines Recyclingprozesses, vor und nach der Homogenisierung für die anschließende Analyse zur Bestimmung von Reinheit und Marktwert.
Auswahl der am besten geeigneten Mühle
Laborkugelmühlen mit aktiver Temperaturkontrolle
Bei der Probenaufbereitung in Kugelmühlen entstehen oft hohe Temperaturen von über 80 °C, was sich bei der Arbeit mit temperaturempfindlichen Materialien negativ auswirken kann. Die Kühlung oder sogar das Einfrieren von Proben kann erforderlich sein, um die Zerkleinerung zu erleichtern, Agglomeration zu verhindern, die Integrität der Probe für die anschließende Analyse zu erhalten oder mechanochemische Reaktionen zu steuern. Der Temperaturanstieg ist in erster Linie auf Prall- und Reibungseffekte innerhalb des Mahlbechers zurückzuführen und wird durch die Konstruktion der Mühle und ihre Fähigkeit zur Wärmeableitung beeinflusst. RETSCH hat für solche Fälle Kugelmühlen mit aktiver Temperaturregelung im Programm, die die Temperatur des Mahlbechers während der Vermahlung niedrig halten oder die Proben durch Kühlung verspröden.
EMAX
MM 500 Control
CRYOMILL
Der Emax ist mit einem integrierten Kühlsystem ausgestattet. Der Anwender kann eine Maximaltemperatur einstellen, was zu automatischen Kühlpausen während des Betriebs führt.
Die MM 500 control kühlt die Mahlbecher während des Betriebs kontinuierlich mit Thermoflüssigkeiten wie Wasser, Glykol oder Flüssigstickstoff. Auf diese Weise kann eine Mindesttemperatur von -100 °C erreicht werden, und es ist auch möglich, die Becher zu erwärmen.
Die CryoMill verfügt über ein integriertes Kühlsystem, das den Mahlbecher vor und während des Mahlvorgangs kontinuierlich mit flüssigem Stickstoff kühlt und so eine maximale Kühlung bis zu -196°C ermöglicht.
VERDER SCIENTIFIC Lösungen
Getreu unserem Leitsatz ENABLING PROGRESS kann Verder Scientific Sie bei der Entwicklung, der Produktion und dem Recycling von Batterien unterstützen. Unter unserem Dach vereinen wir das Know-how von fünf renommierten Entwicklern und Herstellern von wissenschaftlichen Geräten: CARBOLITE, ELTRA, QATM, RETSCH und MICROTRAC gehören zu den führenden Spezialisten in ihren jeweiligen Tätigkeitsbereichen: Wärmebehandlung, Elementaranalyse, Materialographie und Härteprüfung, Zerkleinern und Sieben sowie Partikelcharakterisierung.
Kontaktieren Sie uns für eine kostenlose Beratung
Mit einem umfassenden Netzwerk an Vertretungen stehen wir Ihnen flächendeckend zur Verfügung. Unsere Mitarbeiter beraten Sie gerne und umfassend über den Einsatz von RETSCH-Geräten für Ihre spezielle Anwendung.
Batterietechnologie - FAQ
Welche Rolle spielen Labormühlen von RETSCH in der Batterieforschung und Batterieproduktion?
RETSCH Labormühlen sind in jeder Phase der Wertschöpfungskette der Batterieproduktion von entscheidender Bedeutung, von der Forschung über die Herstellung und Qualitätssicherung bis hin zum Recyclingprozess. Insbesondere Kugelmühlen spielen eine bedeutende Rolle bei der Innovation neuer Batterie-Materialsysteme.
Sind RETSCH Mühlen für die Vermahlung von Batteriematerialien geeignet?
Ja, RETSCH Mühlen eignen sich sehr gut für die Zerkleinerung von Batteriematerialien, insbesondere aufgrund der vielfältigen Möglichkeiten, die sie für das Arbeiten unter inerten Atmosphären, Temperaturkontrolle und kryogenen Bedingungen bieten. Sie werden zur Partikelzerkleinerung in der mechanischen Synthese, bei Mischprozessen und in der Probenvorbereitung eingesetzt. Das umfangreiche Mühlenprogramm von RETSCH wird auch im Batterierecycling durch Zerkleinerung im Labormaßstab oder Probenaufbereitung für die Analyse eingesetzt. RETSCH Mühlen sind sehr anpassungsfähig und erfüllen die spezifischen Anforderungen der Batterieaufbereitung.
Wie werden RETSCH Mühlen für das Batterie-Recycling im Labormaßstab eingesetzt?
Für das Batterierecycling bietet RETSCH Lösungen wie die Zerkleinerung kompletter oder zerlegter Batterien, die Fraktionierung mit Siebmaschinen und die Probenaufbereitung von Recyclingfraktionen für die chemische Analyse.
Welche Lösungen bietet RETSCH in den Bereichen Batterieforschung und Materialwissenschaft an?
RETSCH bietet Labormühlen und Siebmaschinen für die Entwicklung, Analyse und das Recycling von Batteriematerialien. Unsere Geräte ermöglichen mechanochemische Synthesen, präzise Partikelzerkleinerung sowie effektive Misch- und Beschichtungsprozesse. Optionen wie das Arbeiten unter Schutzgasatmosphäre, Temperaturregelung und Prozessüberwachung mit GrindControl sind auf die speziellen Bedürfnisse der Batterieforschung abgestimmt. Darüber hinaus bietet RETSCH fachkundige Beratung und Zugang zu Anwendungslabors, um Forschern bei der Auswahl der richtigen Geräte für ihre Studien zu helfen.
Fachberichte
Die Rolle von Kugelmühlen in der Batterietechnologie
In diesem White Paper werden die vier Hauptanwendungsbereiche von RETSCH Laborkugelmühlen in der Batterietechnik anhand von konkreten Anwendungsbeispielen vorgestellt: Reduzierung der Partikelgröße von Batteriematerialien | Mischen und Partikelbeschichtung | Synthese von neuen Batteriematerialien | Probenvorbereitung für die Analyse Der einführende Teil vermittelt ein grundlegendes Verständnis des Funktionsprinzips und gibt Hinweise zur Handhabung von Laborkugelmühlen. Zusätzliche Informationen zu RETSCH und zu Produkten der anderen Verder Scientific Unternehmen werden in Form von Randnotizen gegeben und vervollständigen das Lösungsangebot von Verder Scientific für die Batterietechnologie.
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