Energie und Kosten sparen bei der Produktion von Batteriemassen

Je mehr die Elektrifizierung der Mobilität und anderer Sektoren voranschreitet, desto größer wird der Bedarf nach Lithium-Ionen-Batterien. Für die energieintensive Produktion von Batteriemassen bedeutet der Boom, dass immer größere Kapazitäten nötig sind. Wie erzielen Hersteller dabei möglichst hohe Energieeffizienz? Netzsch hat in einem Test verschiedene Mahlsysteme gegenübergestellt, um Betreibern die beste Lösung zu bieten.

Geschrieben von Marius Schaub

Für die Verarbeitung von Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) als Batteriematerial gibt es verschiedene Mahlsysteme, die je nach den spezifischen Anforderungen eingesetzt werden können. Unter den Nassmahlsystemen sind für diese Anwendung besonders Stiftmühlen und Scheibenmühlen relevant. Die Wahl des Mahlsystems hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der gewünschten Partikelgröße, der Produktionskapazität und der spezifischen Eigenschaften des LiFePO4-Materials.
Besonders anspruchsvoll, aus Perspektive von Herstellern aber ebenso interessant ist die Bewertung der verschiedenen Systeme hinsichtlich ihres Energieverbrauchs. Denn als physischer Prozess ist das Mahlen von Materialien sehr energieintensiv: Je höher der Energieeintrag, desto besser wird typischerweise das Ergebnis. Hinzu kommt, dass der Bedarf an Batteriemasse für die Produktion von Lithium-Ionen-Zellen absehbar weiterhin stark steigen wird, maßgeblich durch die wachsende Bedeutung der Elektromobilität. Entsprechend skalierbar sind Kostenersparnisse durch einen möglichst geringen Energieverbrauch in der Produktion. Das Ziel ist also, die perfekte Balance zwischen Effizienz und Wirtschaftlichkeit zu finden.
Um einen Kunden auf der Suche nach dem besten Mahlsystem für seine Anforderungen zu unterstützen, hat Netzsch eine Feldstudie durchgeführt. Sie sollte die Frage beantworten, welche Technologie die richtige für diesen Einsatzzweck ist.

Illustration eines Stiftmahlsystems mit sichtbarem Innenraum — Stiftmahlsysteme wie Zeta und Neos von Netzsch eignen sich für den für den Zirkulations- und Mehrpassagenbetrieb mit einem breiten Spektrum an Viskositäten.

Verschiedene Mahlsysteme für unterschiedliche Anforderungen

Wesentliche Anforderung waren ein geplantes Produktionsvolumen von 100.000 Tonnen pro Jahr und eine Partikelgröße des Endprodukts von 380 µm. Auch zu den weiteren Prozessparametern wie der Anzahl der Maschinen, der Kühllösung und der Energiedichte hatte der Kunde exakte Anforderungen. So sollte eine möglichst geringe Zahl an unterschiedlichen Mühlen den Platzbedarf der Anlage kleinhalten. Außerdem bestand der Wunsch nach einem einfachen, flexiblen und zuverlässigen Prozess, für den möglichst wenige Ersatzteile auf Lager vorgehalten werden müssen.
Untersucht wurden zwei Mahlverfahren des Herstellers: die Stiftmahlsysteme Zeta und Neos sowie die Scheibenmühle Discus. Die klassische Scheibenmühle weist ein hohes Verhältnis von Länge zu Durchmesser auf. Üblich ist für ein solches System der Rezirkulationsbetrieb. Mit ihrer kurzen Länge und dem großen Durchmesser werden Scheibenmühlen hauptsächlich für den Betrieb im Zirkulationsverfahren eingesetzt.
Stiftmahlsysteme bieten einen hohen Energieeintrag mit entsprechend hoher Energiedichte. Die Technologie ermöglicht den Einsatz kleinerer Mahlkörper, was die mögliche Produktionskapazität erhöht: Die schnellere Fahrweise bietet schnellere Ergebnisse.
Die zu erwartenden wechselnden Korngrößen im Ausgangsmaterial sprachen für den Umlaufbetrieb. Dabei wird die Suspension durch die Mühle zurück in den Tank geführt und dort die bereits gemahlene Suspension mit der noch nicht gemahlenen Suspension gemischt. So wird die Qualität des Produkts kontinuierlich erhöht; sobald die definierten Eigenschaften erreicht sind, wird der Prozess gestoppt.

Illustration einer Scheibenmühle mit sichtbarem Innenraum — Horizontale Scheibenmühlen basieren auf einer bewährten Technologie und leisten besonders hohe Produktivität.

Feldstudie mit überraschenden Ergebnissen

Das beeindruckende Ergebnis der Untersuchungen: Um die gewünschte Korngröße zu erreichen, war bei der Vorvermahlung mit einer Scheibenmühle rund die dreifache Energiemenge nötig. Die Zahlen überraschen umso mehr, als auch Netzsch für die definierten Prozessbedingungen ursprünglich auf ein Scheibenmahlsystem gesetzt hätte. Auf das beabsichtigte Produktionsvolumen skaliert bedeuten die unterschiedlichen Energieverbräuche einen Unterschied von 1,7 Mio. Euro im Jahr. Darüber hinaus sind für die jährliche Produktionsmenge nur 9 Scheibenmühlen statt 21 Stiftmahlsysteme nötig.
Auch bei der abschließenden Feinstvermahlung im Rezirkulationsbetrieb ließen sich große Sparpotenziale identifizieren: Indem die Energiedichte und die Verarbeitungsgeschwindigkeit geringfügig reduziert wurden, konnte der Energieverbrauch dieses Verfahrensschritts um gut ein Drittel reduziert werden.
Unterm Strich kann der Kunde sich durch die Untersuchung über erhebliche Kosteneinsparungen freuen: 7,7 Mio. Euro günstiger wird der gesamte Mahlprozess laut den Kalkulationen von Netzsch jährlich sein. Das Fazit der Feldstudie: Nicht immer müssen Prozesse mit der höchsten Energiedichte gefahren werden. Es lohnt sich immer, das zu verarbeitende Material zu untersuchen und dessen Eigenschaften in den Mittelpunkt zu stellen.

Autor

Marius Schaub