Prozessforschung und -entwicklung zur Herstellung und Verarbeitung von gerundeten Graphiten für Lithium-Ionen-Zellen mit verbesserter Schnellladefähigkeit

Die Rundung von Graphitpulvern, mit den heute bekannten industriellen Prozessen nach dem Stand der Technik, ist energieintensiv und hat geringe Ausbeuten. Eine der heute eingesetzten Prozessvarianten zur Rundung von Graphiten ist die Verwendung von Sichtermühlen-Kaskaden mit externen Sichtern. Bei diesen Prozessen liegen die Ausbeuten häufig bei lediglich 30 bis 50 Prozent. Die zweite Prozessvariante ist eine, mit einer in Semibatch-Fahrweise betriebenen Sichtermühle. Diese liefert in der Regel höhere Ausbeuten zwischen 70 und 80 Prozent. Durch den hohen Energieverbrauch und die geringen Ausbeuten sind beide heute industriell eingesetzten Rundungsprozesse teuer.

Daraus leiten sich für die Hosokawa Alpine AG die Projektziele für das Projekt RONDO ab. Diese liegen insbesondere in der Weiterentwicklung eines neuen Maschinenkonzepts zur Rundung von Graphit, das bislang erfolgreich in Versuchen für die Rundung von Kunststoffen erprobt wurde. Mit diesem Konzept sollen die Sichtung und die Rundung der Graphite für Batterie-Anodenmaterialien voneinander entkoppelt werden. Dadurch können die Sphärizität und die Partikelgrößenverteilung besser auf die jeweiligen Bedürfnisse der Anwender abgestimmt und die Ausbeute des Prozesses optimiert werden. Dieses neue Verfahren soll im Rahmen dieses Projekts als Gesamtprozess im firmeneigenen Technikum im Labor- und Technikumsmaßstab umgesetzt werden.

Das Material, welches mit dem neuen Prozess hergestellt wird, soll den Projektpartnern zur Charakterisierung der elektrochemischen Eigenschaften in Batterieanwendungen zur Verfügung gestellt werden. Durch die Rückmeldungen der anderen Projektpartner bezüglich der elektrochemischen Eigenschaften kann die Hosokawa Alpine den Prozess dann gezielt weiterentwickeln, um Graphitmaterialien herzustellen, die eine verbesserte Schnellladefähigkeit beispielsweise für mobile Anwendungen aufweisen.

Die Hosokawa Alpine AG ist während der Projektlaufzeit von RONDO an einer Vielzahl von Aufgaben beteiligt. Ein wichtiges Arbeitspaket ist dabei der Vergleich und die Bewertung der bekannten Verfahren zur Rundung von Graphit hinsichtlich der erzeugten Materialeigenschaften, der Prozessausbeuten und des Energieeinsatzes. Der Schwerpunkt der Arbeiten für die Hosokawa Alpine AG im Projekt RONDO liegt jedoch in der Entwicklung eines neuen integrierten Prozessschrittes zur Rundung von Graphiten. Dabei sollen besonders die Optimierung der Ausbeute bei optimaler Partikelgrößenverteilung sowie bei optimaler Schütt- und Stampfdichte der Graphitmaterialien adressiert werden. Außerdem müssen die mit dem neuen Rundungsprozess erzeugten Graphitpartikel eine hohe Sphärizität und eine niedrige Oberfläche aufweisen, um für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz kommen zu können. Der Prozess sollte es zudem ermöglichen, verschiedene maßgeschneiderte Graphitmaterialien herzustellen, um das Material in Energiespeichern mit verschiedenen Anforderungen einsetzen zu können. Beispielsweise die Eignung zur Schnellladefähigkeit. Dieser Prozess soll zuerst im Labormaßstab umgesetzt werden, um die Realisierbarkeit der oben genannten Anforderungen in elektrochemischen Tests von Zellen nachzuweisen. In einem weiteren Schritt soll im Erfolgsfall auch noch das Scale-up des Prozesses in den Technikumsmaßstab während der Projektlaufzeit von RONDO realisiert werden, um den Projektpartnern größere Materialmengen für weitere Zelltests zur Verfügung stellen zu können.

Während des Projekts werden im firmeneigenen Technikum der Hosokawa Alpine AG mehrere verschiedene Materialgenerationen mit verschiedenen Graphitmaterialien und verschiedenen Rundungsprozessen hergestellt. Damit ist die Herstellung von verschiedenen Graphitmaterialien ein weiterer Arbeitsschwerpunkt für die Hosokawa Alpine AG. Insgesamt werden mehrere Tonnen an Graphitmaterial im Technikum bei der Hosokawa Alpine AG hergestellt und den Projektpartner zur Charakterisierung zur Verfügung gestellt.

Die Märkte, in denen die Hosokawa Alpine AG aktiv ist, werden zunehmend kompetitiv. Daher wird eine Differenzierung durch die Bereitstellung eines Know-how-intensiven Zusatznutzens immer wichtiger, um im internationalen Wettbewerb bestehen zu können. Dazu kann die Rundung von Graphit bei hohen Ausbeuten und geringen Total Costs of Ownership zweifelsohne gezählt werden.

Zunächst wird aber erwartet, dass die während des Projekts RONDO neu entwickelte Laborversuchseinrichtung zum Runden von Graphiten in Forschungseinrichtungen und Entwicklungszentren zum Einsatz kommt. An diesen Instituten kann dann weiter an der Graphitmaterialentwicklung für Energiespeichersysteme geforscht werden.

Außerdem ermöglicht es dieses Projekt für die Hosokawa Alpine AG, einen Einblick in die Bedürfnisse in den sich schnell entwickelten Batteriemarkt zu bekommen. Dadurch kann es längerfristig zu Folgeprojekten und weiteren Produktentwicklungen von Maschinen und Prozessen kommen, die für die Herstellung von Batteriematerialien benötigt werden. Dadurch wird durch dieses Projekt Know-How bei Hosokawa Alpine aufgebaut, um sich in dem Wachstumsmarkt der Batterien und Batteriespeichersystemen als Maschinenlieferant für Mühlen und Sichter etablieren zu können.

Die bei der Hosokawa Alpine AG während des Projekts RONDO entwickelte Labor- und Technikumsmaschinen stehen nach Ende des Projekts noch für Versuche mit potenziellen Kunden zur Verfügung. Perspektivisch können auch Maschinen im industriellen Maßstab auf Basis der Testergebnisse mit der Technikumsmaschine entwickelt und gebaut werden. Schützenwerte Projektergebnisse werden über die Anmeldung von Schutzrechten abgesichert.