Elektromobilität. Effiziente Produktion von Elektrodenpasten. Innovations for a better world.

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1 Elektromobilität. Effiziente Produktion von Elektrodenpasten. Innovations for a better world.

2 Elektromobilität. Effiziente Produktion von Elektrodenpasten. Die grösste Herausforderung unserer Zeit ist nachhaltiges globales Wachstum bei gleichzeitiger Schonung der natürlichen Ressourcen. Zunehmender Individualverkehr und die damit verbundenen urbanen Herausforderungen zum Schutz der Umwelt erfordern neue Mobilitätskonzepte, in denen Fahrzeuge mit Elektro antrieb eine Schlüsselrolle spielen. Für die Akzeptanz dieser Lösungen ist der Energiespeicher als zentrale Komponente aller Elektro- und Hybridfahrzeuge von entscheidender Bedeutung. Lithium-Ionen-Batterien (LIB) stellen die erforderliche Energiedichte bereit und gewähr leisten ausreichende Reichweiten für elektrisch angetriebene Fahrzeuge. 2

3 Globaler Technologiepartner der Batterieindustrie. Innovative Lösungen für die zentralen Prozesse. Bühler ist weltweit ein kompetenter Partner für die Auto mobil- und Zuliefererindustrie, zum Beispiel für Druck gusslösungen, Beschichtungstechnologien und die Lack herstellung. Die neuen Lösungen zur Elektrodenpastenproduktion verstärken unser grosses Engagement in dieser wichtigen Branche. Samuel Schär CEO Bühler Advanced Materials Bühler unterstützt seine Kunden von der Planung bis zur In betriebnahme in allen Investitionsphasen und sorgt mit seinem starken Servicenetzwerk in über 140 Ländern für maximale Produktivität und Qualität während der gesamten Laufzeit einer Anlage. Die richtige Vorbereitung des Elektroden-Aktivmaterials ist die Basis für leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien. Bühler verbessert die Aufbereitung dieser Materialien mit seinem herausragenden Equipment zur Nassvermahlung, kombiniert mit umfangreichem Wissen in der Verarbeitung von Nanopartikeln. Darüber hinaus bietet Bühler verschiedene Verfahren zur Herstellung von Elektrodenpasten an: Chargen- und quasikontinuierliche Prozesse für kleine bis mittelgrosse Produktionsmengen sowie kontinuierliche Herstellungsverfahren für die Massenproduktion. Diese Prozesslösungen umfassen die Verarbeitung von LIB Anoden-, Kathoden- und Separatorpasten, inklusive Verteilung, Lagerung und Dosierung von festen sowie flüssigen Rohmaterialien. Bühler Cenomic Vollraummühle Bühler MicroMedia Rührwerksmühle Chargen- und quasikontinuierliche Prozesse für kleine und mittelgrosse Produktionsmengen Bühler ContiMixer kontinuierlicher Misch prozess für grosse Produktionsmengen Verarbeitung Ausgangsstoffe für Aktivmaterialien Chemische Umwandlung Aktivmaterialien Elektrodenpasten- Herstellung Elektrodenfertigung Zellmontage 3

4 Elektromobilität. Effiziente Produktion von Elektrodenpasten. MicroMedia X für Mikro-Nassvermahlung und Dispergierung bis in den Nanobereich 4

5 Perfekte Materialaufbereitung. Nassmahlprozesse für Aktivmaterialien. Die richtige Vorbereitung des Aktivmaterials ist die Basis für anspruchsvolle LIB-Technologie. Die Partikel müssen auf die richtige Grösse gebracht und die Suspension für die optimale Weiterverarbeitung aufbereitet werden. Bühler ist Weltmarktführer auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik, insbesondere für Anwendungen in der Nassvermahlung und Dispergierung. Die Cenomic Vollraummühle und die leistungsstarke Technologie der MicroMedia Rührwerks mühle basieren auf der jahrzehntelangen Erfahrung von Bühler. Das zuverlässige, skalierbare und industrieerprobte Equipment ist bestens geeignet für die Aufbereitung des Aktiv- und Separatormaterials für LIB. Cenomic Die horizontale Vollraummühle mit innovativen Funktionsteilen eignet sich ideal für den Passagenbetrieb wie auch für den wirtschaftlichen Kreislaufbetrieb. Die schlanke Verfahrenszone und die EcoMizer Hochleistungs-Mahlscheiben ermöglichen eine energiesparende Nassvermahlung. Alle produktberührenden Oberflächen des Prozessraumes bestehen aus einzeln austauschbaren Bauteilen, gefertigt aus besonders verschleissfesten Werkstoffen. erlaubt eine Intensivkühlung an der äusseren Statorfläche sowie im ringförmigen Austrittskanal zwischen Rotor und Innenstator. Die MicroMedia X ist für Mahlperlengrössen von 20 bis 800 µm geeignet und ermöglicht eine schonende Dispergierung im unteren Nanobereich sowie eine energieintensive Echtzerkleinerung. Flexible Prozesslösungen Beide Maschinen sind in verschiedenen Baugrössen erhältlich von Laborlösungen bis hin zu Mühlen für die Massenproduktion. Die Cenomic und die MicroMedia X zeichnen sich durch hohe Energieeffizienz, einfache Handhabung, Robustheit und Verlässlichkeit aus. Zur Optimierung der Produktionseffizienz berät Bühler seine Kunden bei der Auswahl der richtigen Vermahlungsanlagen, der optimalen Einstellung der Prozessparameter sowie geeigneter Oberflächenmodifikatoren. MicroMedia X Die MicroMedia X erreicht eine ausserordentliche Produktqualität und Mahleffizienz. Die kleinvolumige Rührwerksmühle ermöglicht Leistungsdichten von 0,1 bis 4,0 kw/l und Kundenvorteile: Effiziente Partikelzerkleinerung, Stabilisierung und Homogenisierung bis in den Nanobereich Hoher Feststoffanteil der Pasten bei gleichzeitig geringer Viskosität Effektives Vermahlen mit % geringerem Energieverbrauch Positiver Effekt auf nachgelagerte Prozessschritte 5

6 Elektromobilität. Effiziente Produktion von Elektrodenpasten. Vollkontinuierliches Mischsystem zur Produktion von Elektrodenpasten. 6

7 Massenproduktion von Elektrodenpasten. Vollkontinuierliche Mischtechnologie. Die Verarbeitung der Elektrodenpasten ist entscheidend für die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien. Konventionelle Produktionsmethoden von Elektrodenpasten für LIB basieren auf Chargen- oder quasi-kontinuierlichen Prozessen. Aufgrund der vorhersehbaren Nachfragesteigerungen in den kommenden Jahren durch den zunehmenden Einsatz von Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen ist zu erwarten, dass diese Herstellungsmethoden den Kapazitätsanforderungen der Branche nicht mehr gerecht werden. Erweiterte Produktionskapazitäten können bei Chargenoder quasi-kontinuierlichen Prozessen nur durch Multiplikation der eingesetzten Maschinen erreicht werden, was wiederum zu einer linearen Steigerung der benötigten Fläche sowie der Investitions- und Betriebskosten führt. Im Gegensatz hierzu erfüllt der vollkontinuierliche Mischprozess von Bühler die zukünftigen Anforderungen der Massenproduktion von Batterien und bietet dem Kunden weitere Vorteile. Kontinuierliche Pulverdosierung (Aktivmaterial, Leitfähigkeitsadditive, Bindemittel) Kontinuierliche Flüssigdosierung (Bindemittellösung, Lösungsmittel) LIB-Elektrodenpastenproduktion basierend auf bewährter Bühler Extrusionstechnologie. Kontinuierliches Mischen und Dispergieren nach der Dosierung Pulverförmige Komponenten Flüssige Komponenten Beschichtungsanlage Der kontinuierliche Mischprozess beruht auf der bewährten und robusten Zweiwellen-Extrusionstechnologie, die Bühler für zahlreiche Anwendungen und Industrien entwickelt hat. Sekunden [t] 7

8 Elektromobilität. Effiziente Produktion von Elektrodenpasten. Das vollkontinuierliche Herstellungsverfahren von Bühler zur Produktion von LIB-Elektrodenpasten ist ideal für die Massenproduktion von Batterien geeignet. Kontinuierliche Mischtechnologie Das kontinuierliche Produktionsverfahren basiert auf einem Zweiwellenmischer, der alle Prozessschritte von der kontinuierlichen Dosierung der Rohmaterialien, über das Vor mischen, das Kneten, die Feindispergierung, bis hin zur Entgasung in einem einzigen Gerät vereint. Ein konventioneller Chargen-Mischprozess umfasst zwei Schritte: Das Dosieren und Zusammenführen von flüssigen und festen Bestandteilen, gefolgt von der Verteilung der festen Bestandteile in der flüssigen Phase. Um bei diesem Prozess die erforderliche Homogenität auf makroskopischem und mikroskopischem Niveau zu erreichen, werden in der Regel Mischzeiten von mehreren Stunden pro Charge benötigt. Im Gegensatz dazu kombiniert das kontinuierliche Mischverfahren alle Prozessschritte in einem Gerät und ermöglicht die kontrollierte, kontinuierliche Dosierung aller festen und flüssigen Bestandteile inklusive Feindispergierung in der Flüssigphase. Da der Grossteil der Mischarbeit bereits durch die kontinuierliche Dosierung der Rohmaterialien geleistet wird, beträgt die Verweilzeit im kontinuierlichen Mischer weniger als eine Minute. Investition: Skaleneffekte Aufgrund der hohen Produktivität (bis zu l/h) kann das kontinuierliche Mischverfahren mehrere Chargenmischer mit einer einzigen, kontinuierlich arbeitenden Produktionslinie ersetzen. Als Konsequenz lassen sich die Investitionskosten für Anlagen zur Massenproduktion von LIB-Elektrodenpasten signifikant reduzieren. Kundenvorteile: Signifikant geringere Investitionskosten aufgrund von Skaleneffekten Niedrigere Betriebskosten durch Energieeinsparungen, hohen Automatisierungsgrad und geringeren Bedarf an Personal Verbesserte Reproduzierbarkeit und Kontrollierbarkeit von Produkteigenschaften Konsistentere Produktqualität dank Inline-Qualitätskontrolle 8

9 Beispiel: Investition für Mischkapazität von 70 Millionen Litern Elektrodenpaste pro Jahr Signifikant tiefere Investitionskosten: bis zu -60 % verglichen mit konventionellem Chargenmischer. Beispiel: Jährlicher Energieverbrauch Equipment Energieverbrauch Chargenmischprozess: 75 Wh/l Bühler ContiMixer: 25 Wh/l 5.3 GWh -60 % Annahmen: 70 MI Elektrodenpaste pro Jahr (35 GWh) Stunden pro Jahr Chargenmischprozess Bühler ContiMixer -60% Beispiel: Jährlicher Energieverbrauch Trockenraum Chargenmischprozess (24 Linien) ContiMixer 62 mm (24 Linien) ContiMixer 93 mm (10 Linien) ContiMixer 125 mm (6 Linien) Grundannahme: 70 MI Elektrodenpaste entsprechen etwa 35 GWh Jahresproduktionskapazität, Betriebsstunden h/y Platzbedarf pro Linie Chargenmischprozess: 630 m 3 Bühler ContiMixer 62 mm: 450 m 3 Bühler ContiMixer 93 mm: 858 m 3 Bühler ContiMixer 125 mm: 990 m 3 Annahmen: 70 MI Elektrodenpaste pro Jahr (35 GWh) Energieverbrauch Trockenraum: 200 W/m Stunden pro Jahr 18.1 GWh Chargenmischprozess (24 Linien) -60 % ContiMixer ContiMixer 62 mm 93 mm (24 Linien) (10 Linien) ContiMixer 125 mm (6 Linien) Betriebskosten Im Vergleich mit Chargenmischern benötigt der kontinuierliche Mischprozess eine dreimal geringere spezifische Energiezufuhr zum Erreichen gleicher Produkteigenschaften. Aufgrund der kleineren Stellfläche kann der benötigte Trockenraum für das kontinuierliche Mischsystem erheblich reduziert werden. Als Ergebnis ist der Energieverbrauch zur Aufrechterhaltung des Trockenraumklimas deutlich geringer als bei konventionellen Chargenmischsystemen. Der hohe Automatisierungsgrad der kontinuierlichen Mischanlage senkt die Personalkosten um bis zu 50 %. Prozessautomation und Inline Qualitätskontrolle Die vollautomatisierte Prozessführung für die Dosierung von Rohmaterialien (Pulver und Flüssigkeiten), Mischung, Dispergierung und Entgasung sorgt für eine höhere Rezepturgenauigkeit, verbesserte Prozesskontrolle und eine durchgängige Rückverfolgbarkeit. Dies wird durch eine kontinuierliche Inline-Überwachung der kritischen Prozessparameter wie Durchsatz, Temperatur, Druck und Energieverbrauch ge währleistet. Weiterhin ermöglicht das Qualitätskontrollsystem QuaLIB TM die Inline-Überwachung und Steuerung aller relevanten Parameter zur Herstellung der Elektrodenpaste. Inline-Qualitätskontrolle Prozessdaten Feedback QuaLIB TM Qualität A Qualität B 9

10 Elektromobilität. Effiziente Produktion von Elektrodenpasten. Prozess- und Produktoptimierung. Versuche im Labor- und Pilotmassstab. Bühler betreibt weltweit eigene Testanlagen sowie Labore und bietet Unterstützung zur Optimierung von Produktionssystemen hinsichtlich Rohstoffausbeute, Durchsatz und Reduzierung des Energiebedarfs an. In den konzerneigenen Versuchsanlagen für Batteriematerialien in Europa, USA und Asien können Prozesse individuell getestet und optimiert werden. Professionelle Analysen garantieren akkurate Evaluationen der erzielten Ergebnisse für die verschiedenen Prozessschritte. Verfahrenstechniker führen mit dem Kunden Testserien im Labor- und Pilotmassstab durch. Die Anlagen sind für Versuche mit geringen Produktionsmengen ausgelegt, deren Auswertungen einen Einblick in die erforderlichen Dimensionen der potentiellen Anlage geben und praxisnahe Produkt- und Prozessoptimierungen ermöglichen. Das Bühler Zentrallabor in Uzwil ist der ideale Ansprechpartner für Analyseaufgaben und bietet darüber hinaus Serviceleistungen wie Beratung, Ausbildung und Methodenentwicklung für Kundenlabore an. Kunden profitieren ausserdem vom interdisziplinären Austausch mit anderen Fachbereichen innerhalb der Bühler Gruppe und von engen Kooperationen mit Universitäten und internationalen Forschungseinrichtungen. Bühler Partner Ihres Vertrauens: Globales Netzwerk von Laboren und Pilotanlagen Expertise im Bereich Maschinen- und Anlagenbau Umfangreiche Kenntnisse in der Verarbeitung von LIB-Elektrodenpasten Unterstützung der Kunden in der Prozessentwicklung Breites Spektrum an Referenzprojekten in der Batterieindustrie mit Bezug auf die Vermahlung von Aktivmaterial und das Mischen von Elektrodenpasten 10

11 24 Stunden/7 Wochentage, weltweit. Services für mehr Produktivität und Sicherheit. Bühler arbeitet mit zahlreichen Industrien zusammen. Die bewährten Produktionssysteme für Nahrungsmittel, Automobilteile, Beschichtungen, chemische Produkte und Farben kombinieren erstklassige Prozessqualität mit einem hohen Mass an Effizienz. Bühler Grinding & Dispersion Centres of Competence mit Pilotanlagen für Batteriematerialien Bühler Hauptsitz Uzwil Mahwah Wuxi Saitama 3 Bühler unterhält auf allen Kontinenten eigene Servicestandorte und ist schnell vor Ort, wenn Kunden Unterstützung benötigen. Servicetechniker sorgen für schnelle Ersatzteillieferungen und deren professionelle Installation. Ergänzt wird dieser Service durch spezielle Bühler Werkstätten, die umfangreiche Reparatur- und Umbaumassnahmen ausführen können. Massgeschneiderte Wartungs- und Revisionspakete sorgen dafür, dass auch ältere Maschinen stets auf dem neuesten Stand der Technik sind. Dies erlaubt es dem Kunden, seine Produkte stets profitabel und sicher herzustellen. Speziell zugeschnittene Schulungsprogramme garantieren einen reibungslosen Betrieb der Anlagen und ermöglichen es, exzellente Produktqualitäten mit optimalen Durchsatzraten zu erzielen. Bühler Trainingsangebote helfen ausserdem, die Anlagenleistung zu verbessern und das Bedienpersonal mit den aktuellen Technologien und Sicherheitsstandards vertraut zu machen. 11

12 Bühler AG _Battery1_DE_A4 CH-9240 Uzwil Schweiz T F grinding.dispersion@buhlergroup.com buhlergroup.com