Gerade in der Batterieproduktion sind neue Lösungen unverzichtbar, wenn es beispielsweise um die Förderung und die genaue Dosierung von Anoden- und Kathodenmaterialien geht. Eines der größten Probleme ist die sichere Handhabung von Kathodenschlämmen, die das Lösungsmittel N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) enthalten. Idealerweise sollte dieses Lösungsmittel mit hermetisch abgedichteten Pumpen mit Magnetkupplung gefördert werden. Diese Pumpen sind darauf ausgelegt, Leckagen zu vermeiden, wenn korrosive, gefährliche oder giftige Flüssigkeiten gefördert werden. Sie bieten somit eine zuverlässige Lösung im Vergleich zu herkömmlichen, mechanisch abgedichteten Pumpen, die häufig zu Problemen führen.
Solche Pumpen sind oft mit Stopbuchsen oder Gleitringdichtungen ausgestattet. Stopbuchsen sind jedoch nicht leckagefrei, während doppeltwirkende Gleitringdichtungen zwar leckagefrei sind, jedoch einen höheren Wartungs- und Kontrollaufwand erfordern. Für den Umgang mit toxischen Lösungsmitteln wie NMP ist eine Magnetkupplung daher die beste Wahl. Es gibt jedoch Nachteile bei proprietären Magnetkupplungen, die üblicherweise für Anwendungen angeboten werden, die eine Exzenterschneckenpumpe erfordern.
Grenzen von Magnetkupplungen
Exzenterschneckenpumpen kommen bei Anwendungen zum Einsatz, bei denen die zu pumpende Flüssigkeit abrasiv, viskos oder scherempfindlich ist. Insbesondere bei der Handhabung von Batterieschlämmen zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien iegt die Viskosität häufig zwischen 8.000 und 20.000 mPas, und eine exakte Dosierung ist entscheidend.
Herkömmliche Magnetkupplungen, die für die direkte Kopplung mit einer Zentrifugalpumpe mit zwei- und vier-poliger Motordrehzahl konzipiert sind, eignen sich nicht für diese Anwendungen, da sie bei hohen Drehzahlen eine Zirkulation der gepumpten Flüssigkeit benötigen, um eine Überhitzung zu vermeiden. Flüssigkeiten mit hoher Viskosität können die Kühlkanäle jedoch schnell verstopfen.
Neue Magnetkupplung erfüllt Anforderungen für Batterieschlamm
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurde eine Magnetkupplung entwickelt, die speziell für Exzenterschneckenpumpen konzipiert ist. Darüber hinaus muss die eingesetzte Kupplung der Viskosität der Batterieschlämme gewachsen sein. Da die Drehzahlen der Exzenterschneckenpumpe 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 gehörte das Drehmoment, das die Kupplung übertragen muss.
Netzsch Pumpen & Systeme ist es gelungen, mit der NEMO MY eine Magnetkupplungspumpe zu entwickeln, die den Anforderungen von Batterieschlammanwendungen gerecht wird. Die Pumpenlösung ist hermetisch abgedichtet und verhindert das Entweichen toxischer Dämpfe und vor allem das Eindringen von Luftblasen in den Schlamm. Dies ist bei Folienbeschichtungen besonders wichtig. Darüber hinaus wurde ein innovatives System zur Luftabsaugung an der Kupplung integriert, um das Eindringen von Luftblasen in die Schlämme zu verhindern. Dies verbessert die Qualität erheblich und senkt die Abfall- und Recyclingkosten. Um die Anforderungen der ATEX-Vorschriften der Europäischen Union für explosionsgefährdete Bereiche zu erfüllen, kann bei Bedarf ein Temperaturfühler an der Magnetkupplung angebracht werden.
Automatische Reinigung der Pumpe
Stellen Anwender Batteriefolien im Chargenbetrieb her, müssen sie die Pumpe zwischen den Zyklen reinigen. Oftmals ist dies ein vollständig manueller Prozess mit entsprechendem Aufwand und Kosten. Die neu entwickelte Pumpe ist so konstruiert, dass sie automatisch gereinigt werden kann. Dies erforderte zusätzliche bauliche Veränderungen an der Pumpe, unter anderem den Einbau eines Spülanschlusses in die Magnetkupplung.
Additiv gefertigte Kuppelstange integriert
Für hygienische Anwendungen können Hersteller ein Kuppelstangensystem mit offenen Gelenken und einer Edelstahlstange sowie Bolzen nutzen. Jedoch ist ein solches System für Batterieanwendungen aufgrund der abrasiven Beschaffenheit der Schlämme und der Gefahr einer Verunreinigung der Anoden- und Kathodenschlämme durch Metallpartikel nicht geeignet. Dies würde die Qualität des Endprodukts verschlechtern.
Daher ist ein Biegestab die naheliegende Wahl. Allerdings bringt der Einsatz einen Nachteil mit sich: Der Biegestab besteht üblicherweise aus Metall, meist aus Titan oder rostfreiem Duplexstahl. Aufgrund der begrenzten Flexibilität muss dieser Biegestab länger sein als bei einer Kuppelstange mit Gelenksystem üblich. Bei einer automatischen Reinigung würde das größere Volumen im Pumpengehäuse aufgrund seiner größeren Länge zu einem Produktverlust führen. Dies erforderte eine Lösung, die die Länge des Pumpengehäuses so weit wie möglich reduziert und gleichzeitig eine ausreichende Flexibilität der Kuppelstange bietet, um einen zuverlässigen Pumpenbetrieb zu gewährleisten. Dank additiver Fertigung war es möglich, in kurzer Zeit Prototypen zu entwickeln und anschließend die endgültigen Produktkomponenten herzustellen. Mithilfe der numerischen Strömungsmechanik haben die Ingenieurinnen und Ingenieure ein Kuppelstangen-Design entworfen und in die finale Konfiguration der Batteriepumpe integriert.
Ziel war es, eine kürzere Kuppelstange zu entwickeln, die die Länge des Pumpengehäuses verkürzt, den mechanischen Belastungen standhält und den Anforderungen der automatischen Reinigung gerecht wird. Es wurde ein tangentialer Einlassanschluss eingebaut, um die Reinigungsfähigkeit der Pumpe durch optimierte Strömungsbedingungen im Gehäuse zu verbessern.
Additiv gefertigte Statoren
Um die Anforderungen von Batterieschlammanwendungen zu erfüllen, war auch ein neues Konzept für den Pumpenstator erforderlich. Normalerweise verfügen Exzenterschneckenpumpen über einen Stator aus einem Elastomermaterial. Aufgrund der chemischen Aggressivität einiger der in der Batterieherstellung verwendeten Flüssigkeiten – insbesondere des NMP für Kathodenschlämme – musste ein anderes Statormaterial verwendet werden.
Auf Basis der erfolgreichen Herstellung des Biegestabs mithilfe der additiven Fertigung wurde beschlossen, die Statoren ebenfalls mit diesem Verfahren herzustellen. Es wurde ein Design entwickelt, das sowohl eine höhere Genauigkeit im Produktionsprozess als auch die notwendige chemische Beständigkeit gewährleistet. Die Effizienz des neuen Stators ist hoch: Die Pumpe übertrifft bei Beschichtungsanwendungen die Genauigkeitsanforderungen in Bezug auf eine gleichmäßige Schichtdicke über die gesamte Folienlänge und -breite.
Keramikrotoren sind verschleißarm
Der Rotor benötigt ebenfalls eine hohe Genauigkeit, die sowohl mit einem Metall- als auch mit einem Keramikrotor erreicht werden kann. Keramikrotoren bieten den entscheidenden Vorteil, dass die Verschleißfestigkeit deutlich höher ist und dass es keine Metallabriebpartikel vom Rotor in den Schlämmen gibt. Anwender können wählen, welche Rotor-Stator-Kombination für ihre spezifische Anwendung am besten geeignet ist. Denn sowohl Elastomer-Statoren als auch innovative Statoren aus der additiven Fertigung sind mit dem abtrennbaren Statorsystem vollständig kompatibel.
