PuK - Prozesstechnik & Komponenten 2024

Pumpen und Systeme

Pumpen und Systeme Exzenterschneckenpumpen Batterieproduktion in Europa führt zu Innovationen bei Pumpenherstellern Es ist allgemein bekannt, dass Europa sichere Lieferketten zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) etablieren muss – insbesondere für die schnell steigende Nachfrage nach Elektro- und Hybridfahrzeugen. In den letzten Jahren haben asiatische Hersteller das Angebot an Lithium-Batterien dominiert, aber die schnell wachsenden Produktionskapazitäten in Europa stellen Batteriehersteller und folglich auch Ausrüster vor gewisse Herausforderungen. Eine solche Herausforderung stellte sich auch der NETZSCH Pumpen & Systeme GmbH, einem globalen Hersteller von Verdrängerpumpen. Gerade in der Batterieproduktion werden neue Lösungen und Innovationen gefordert, zum Beispiel bei der Förderung und genauen Dosierung von Anoden- und Kathodenmaterialien. Eines der größten Probleme ist die sichere Handhabung von Kathodenschlämmen, die das Lösungsmittel N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) enthalten. Idealerweise würde ein solch toxisches Lösungsmittel mit hermetisch abgedichteten Pumpen mit Mag netkupplung gefördert. Magnetkupplungen werden dort eingesetzt, wo beim Pumpen von korrosiven, gefährlichen oder toxischen Flüssigkeiten Leckagen vermieden werden müssen und um allgemein die mit herkömmlichen mechanisch abgedichteten Pumpen verbundenen Probleme zu vermeiden. Bei solchen Systemen handelt es sich um Pumpen mit Stopfbuchsen oder Gleitringdichtungen in verschiedenen Konfigurationen. Eine Pumpe mit Stopfbuchse erfüllt in keiner Weise die Anforderungen an eine leckagefreie Pumpe. Eine Pumpe mit doppeltwirkender Gleitringdichtung und Versorgungseinheit ist zwar leckagefrei, aber auch mit einem erhöhten Wartungs- und Kontrollaufwand verbunden. Für ein toxisches Lösungsmittel wie NMP ist daher eine Magnetkupplung die ideale Lösung, um die Anforderung an eine hermetisch abgeschlossene Pumpe zu decken. Es gibt jedoch Nachteile bei proprietären Magnetkupplungen, die von bekannten Herstellern für Anwendungen angeboten werden, die eine Exzenterschneckenpumpe erfordern. Herkömmliche Magnetkupplungen sind für Batterieherstellung nicht geeignet Exzenterschneckenpumpen werden üblicherweise in Anwendungen eingesetzt, bei denen die zu pumpende Flüssigkeit abrasiv ist, feste Partikel enthält, viskos oder scherempfindlich ist oder die Anwendung eine genaue Dosierung oder beliebige Kombination von zwei oder mehreren dieser Eigenschaften vorschreibt. Insbesondere bei der Handhabung von Kathodenschlämmen zur Herstellung von Lithium-Ionen- Batterien ist die Flüssigkeit viskos, üblicherweise im Bereich von 8.000 bis 20.000 mPas, enthält naturgemäß feste Partikel und muss bei Beschichtungsanwendungen äußerst genau dosiert werden. Die Kombination dieser Eigenschaften bedeutet, dass herkömmliche Magnetkupplungen, die für die direkte Kopplung mit einer Zentrifugalpumpe mit 2- und 4-poliger Motordrehzahl konzipiert sind, sich für diese Art von Anwendungen nicht eignen. Wenn eine Pumpe mit Magnetkupplung mit hohen Drehzahlen (1.400 oder 2.800 U/min) arbeitet, ist eine Zirkulation der gepumpten Flüssigkeit zur Kühlung der Kupplung erforderlich. Dies wird dadurch erreicht, dass die Flüssigkeit durch Kühlkanäle in der Kupplung fließt. Solche Kühlkanäle haben einen geringen Durchmesser und werden daher leicht von Flüssigkeiten mit höherer Viskosität verstopft. Eine Exzenterschneckenpumpe, die ein Produkt mit bis zu 20.000 mPas pumpt, läuft in der Regel mit Drehzahlen von etwa 100 bis 200 U/min, obwohl dies nicht als die maximale Viskositätskapazität für Exzenterschneckenpumpen betrachtet werden sollte. Es gibt Anwendungen, bei denen Exzenterschneckenpumpen für Produkte mit weit über 1 Mio. mPas eingesetzt werden. NETZSCH konzipiert neue Magnetkupplung für Handhabung von Batterieschlämmen Aus diesem Grund war es notwendig, eine Magnetkupplung zu entwickeln, die speziell auf die Anforderungen typischer Anwendungen mit Exzenterschneckenpumpen zugeschnitten ist. Für Batterieschlämme musste eine Kupplung entwickelt werden, die der Viskosität der Schlämme gewachsen ist. Da die Drehzahlen der Exzenterschneckenpumpe, wie zuvor beschrieben, geringer sind als beim Einsatz einer Zentrifugalpumpe üblich, ist eine übermäßige Wärmeentwicklung in der Kupplung nicht zu erwarten. Es gab jedoch noch weitere Herausforderungen, für die eine Lösung gefunden werden musste. Dazu gehört das Drehmoment, das die Kupplung übertragen muss. NETZSCH ist es gelungen, eine Magnetkupplung zu entwickeln, die den Anforderungen von Batterieschlammanwendungen gerecht wird, da die Pumpe hermetisch abgedichtet ist und das Entweichen toxischer Dämpfe und vor allem das Eindringen von Luftblasen in den Schlamm verhindert, was bei der Folienbeschichtung besonders wichtig ist. Die Kunden stellten die NETZSCH Entwicklungsingenieure schließlich vor weitere Herausforderungen, die sich speziell auf Batterieanwendungen bezogen. Die neu entwickelte Magnetkupplung verhindert zwar das Ein- 26 PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2024

Pumpen und Systeme Exzenterschneckenpumpen sehr geringem Kapitalaufwand eine blasenfreie Beschichtung der Anoden- und Kathodenschlämme gewährleistet werden, was die Qualität erheblich verbessert und die Abfallund Recyclingkosten senkt. Um die Anforderungen der ATEX-Vorschriften zu erfüllen, kann bei Bedarf ein Temperaturfühler an der Magnetkupplung angebracht werden. Automatische Reinigung der Pumpe Abb. 1: Die neu entwickelten Kuppelstangen sind in die Batteriepumpe integriert. dringen von Luft in das Produkt Erfahrung gemacht, dass gelegentlich Blasen in den Beschichtungspro- durch die Pumpe selbst, aber dennoch können Luftblasen in den Anoden- und Kathodenschlämmen aus Mag netkupplung bietet die Möglichzess gelangen. Die neu entwickelte dem Schlammaufbereitungsprozess keit, bei korrekter Ausrichtung der vorhanden sein. Obwohl Entlüfter Pumpe eine zusätzliche Luftabsaugung direkt an der Magnetkupp- Luftblasen aus den Schlämmen entfernen können, haben Kunden die lung vorzunehmen. Somit kann mit Werden die Batteriefolien im Chargenbetrieb hergestellt, muss die Pumpe, ebenso wie alle anderen Produktionskomponenten, zwischen den Zyklen gereinigt werden. Oftmals ist dies ein vollständig manueller Prozess mit entsprechendem Aufwand und entsprechenden Kosten. Die NETZSCH Entwicklungsingenieure wurden vor die Herausforderung gestellt, die Pumpe so zu konstruieren, dass sie mit einem automatischen System gereinigt werden kann. POWERING THE HYDROGEN REVOLUTION Close-coupled, space saving design Full containment guaranteed by high efficient non-metallic containment shell Electropolished wetted parts, ideal for ultra pure water WITH MAGNETIC DRIVE PUMPS MEHR INFOS www.klaus-union.com