Den Weg zur Elektromobilität ebnen

Lösungen zur Graphitrundung für Lithium-Ionen-Batterien

Elektromobilität ist der Schlüssel zu klimafreundlicher Mobilität. Die wachsende Produktion von Lithium-Ionen-Batterien macht den nachhaltigen Umgang mit wertvollen Rohstoffen und Ressourcen wie Graphit unabdingbar. Hosokawa Alpine hat daher Prozesslösungen für die Graphitrundung entwickelt, damit der Rohstoff optimal genutzt werden kann.

I‌m Zuge des EU-Klimapakts sollen bereits ab 2035 keine neuen Autos mit Verbrennungsmotor zugelassen werden – das klare Signal aus der Politik, den Weg zur Elektromobilität auszubauen. Grundvoraussetzung für den Bau von Verkehrsmitteln mit Elektroantrieb sind Lithium-Ionen-Batterien. Der Markt kann ein dynamisches globales Wachstum verzeichnen:  Wurden 2019 noch Lithium-Ionen-Batterien mit einer Energiespeicherkapazität von 200 GWh produziert, sollen es 2030 bereits zwischen 2400 und 6000 GWh sein; bis 2050 sind weltweit bis zu 10 000 GWh angestrebt [1, 2]. Die Einsatzfelder bewegen sich von der Elektromobilität über stationäre Energiespeicher bis zu Batterien für Consumer Electronics. Die Zellproduktion erfolgte bis dato überwiegend in Asien, Europa strebt aktuell mit einem neuen eigenen Markt nach Unabhängigkeit von den asiatischen Lieferanten. Der Bau von Zellfabriken auf europäischem Boden hat mehrere Vorteile: Neben Zollfreiheit und kurzen Transportwegen für die Rohstoffe können Kapazitäten und Qualität eng an die Bedürfnisse des eigenen Marktes angepasst sowie Lieferketten gesichert werden. Bis 2030 sind in der EU den aktuellen Planungen zur Folge Zellfabriken für Lithium-Ionen-Batterien mit einer jährlichen Produktions­kapazität von bis zu 850 GWh geplant [3].

Effiziente Rohstoffverwertung durch Graphitrundung

Für die Hersteller ergibt sich daraus die Herausforderung, die benötigten natürlichen Rohstoffe so nachhaltig und effizient wie möglich zu verarbeiten. Synthetischer und natürlicher Graphit sind die wichtigsten Anodenmaterialien für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien; Naturgraphit wird von der EU-Kommission als kritischer Rohstoff eingestuft [4]. Analog zur steigenden Zahl von Lithium-Ionen-Batterien ergibt sich ein dynamisches Wachstum des Graphitbedarfs: 2030 werden global zwischen 400 000 und 1 600 000 Tonnen benötigt, 2050 bis zu 5 000 000 Tonnen [5]. Um den Bedarf an gerundetem Graphit langfristig zu decken, muss der Graphit für die Zellherstellung möglichst verlustarm verarbeitet werden. So geht weniger Material verloren und der Graphit kann möglichst effektiv genutzt werden. Die Rundung von Graphit bringt zahlreiche Vorteile mit sich. Zum einen erhöht sie die Stampfdichte und sorgt damit für eine bessere volumetrische Speicherkapazität der Batterieanode. Zum anderen wird durch die Graphitrundung die Interkalationskinetik verbessert, sodass sich die Batterieanode schneller laden lässt. Außerdem wird die Batterie langlebiger und die Zyklenstabilität wird erhöht. Bestehende Prozesse zur Graphitrundung bringen nur eine geringe Ausbeute von ca. 30 bis 50 %. Hosokawa Alpine entwickelte nun einen neuen Prozess zur Graphitrundung, der bei gleichem Durchsatz weniger Maschinen benötigt als bisher. Dadurch reduziert sich nicht nur der Platzbedarf, sondern auch der Aufwand für Wartung und Instandhaltung. Einige Graphithersteller zögern noch, doch durch das rasche Marktwachstum ist nun der richtige Zeitpunkt für die Investition in Maschinenlösungen für die Graphitrundung. Hosokawa Alpine bietet optimierte Rundungsprozesse, die auf die speziellen Anforderungen von natürlichem und synthetischem Graphit abgestimmt sind. Für natürlichen Graphit ist der Alpine Particle Rounder APR die geeignete Lösung, bei synthetischem Graphit die Sichtermühle Zirkoplex ZPS. Bei beiden Maschinen sind die Kosten für Investition und Betrieb sehr gering, gleichzeitig wird eine gleichbleibende sehr hohe Produktqualität erzielt.

Maximale Nutzung des wertvollen Naturrohstoffs

Naturgraphit ist plättchenförmig und benötigt bei der Rundung mehr Energie als synthetischer Graphit, der meist nach der Mahlung schon deutlich sphärischer vorliegt. Für die Rundung von Naturgraphit hat Hosokawa Alpine daher eine spezielle Maschine entwickelt: den Alpine Particle Rounder APR (Bild 1). Der dreistufige Rundungsprozess beginnt mit der Vorzerkleinerung auf einer Sichtermühle. Im Anschluss erfolgt die batchweise Rundung mit dem APR und als letzter Prozessschritt schließlich eine Sichtung zur Entstaubung. Die Stampfdichte konnte auf diese Weise fast verdoppelt werden und es werden Ausbeuten von bis zu 80 % an gerundetem Graphit erreicht (Bilder 2 und 3). Der Alpine Particle ­Rounder APR punktet zudem durch kurze Prozesszeiten und hohe Durchsätze bei gleichzeitig geringem spezifischem Energieverbrauch. Variable Zielfeinheiten von x50 = 10 – 12 µm bis zu x50 = 22 – 25 µm sind mit dem APR möglich.

Vorteile des APR:

Ausbeuten an gerundetem Graphit von bis zu 80 %

Kurze Prozesszeiten, hohe Durchsätze

Geringer spezifischer Energieverbrauch

Niedrige BET-Werte

Effiziente Rundung von synthetischem Graphit

Für die Rundung von synthetischem Graphit hat Hosokawa Alpine die Sichtermühle Zirkoplex ZPS (Bild 4) im Portfolio. Alle drei benötigten Prozessschritte Vermahlung, Rundung und Entstaubung werden mit nur einer druckstoßfesten Maschine umgesetzt. Der Graphit wird zunächst mit dem energiesparend designten Mahlwerk auf der Sichtermühle vorvermahlen. Anschließend erfolgen Rundung und Entstaubung batchweise. Auch die Zirkoplex ZPS ermöglicht eine Erhöhung der Stampfdichte des gerundeten Graphits für eine höhere volumetrische Speicherkapazität sowie hohe Durchsätze und Prozessausbeuten von bis zu 90 % bei gleichzeitig niedrigem spezifischem Energieverbrauch (Bilder 5 und 6). Somit komplettiert sie die Lösungen für eine effiziente und zeitgemäße Graphitrundung aus dem Hause Hosokawa Alpine.

Vorteile der Zirkoplex ZPS:

Ausbeuten des wertvollen Rohstoffs von bis zu 90 %

Hohe Durchsätze

Geringer spezifischer Energieverbrauch

Niedrige BET-Werte

Literatur

[1] Dr. S. Michaelis et al., „Roadmap Batterie-Produktionsmittel 2030 Update 2020,“ VDMA Verlag GmbH, Frankfurt am Main, 2020
 
[2] Dr. A. Thielmann et al., Energiespeicher-Roadmap (Update 2017) Hochenergie-Batterien 2030+ und Perspektiven zukünftiger Batterietechnologien, Karlsruhe: Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, 2017
 
[3] Agrora Verkehrswende, „Batteriestandort auf Klimakurs. Perspektiven einer klimaneutralen Batterieproduktion für Elektromobilität in Deutschland,“ Agora Verkehrswende, Berlin, 2021
 
[4] Europäische Kommission, „Widerstandsfähigkeit der EU bei kritischen Rohstoffen: Einen Pfad hin zu größerer Sicherheit und Nachhaltigkeit abstecken,“ Europäische Kommission, Brüssel, 2020
 
[5] Öko-Institut, „Strategien für die nachhaltige Rohstoffversorgung der Elektromobilität. Synthesepapier zum Rohstoffbedarf für Batterien und Brennstoffzellen.,“ Öko-Institut, Darmstadt, 2017

Autor:

Benjamin Biber, R & D Manager, Technical Division, Hosokawa Alpine AG, Augsburg/Deutschland

Benjamin Biber studierte Umwelt- und Verfahrenstechnik an der Hochschule Augsburg mit Masterabschluss 2016. Seit Oktober 2016 ist er als Entwicklungsingenieur bei der Hosokawa Alpine AG in Augsburg beschäftigt. Sein Arbeitsschwerpunkt ist u.a. die Rundung von Graphit für Lithiumionen-Batterien.

www.hosokawa-alpine.com

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