DE102017217683A1

DE102017217683A1 - Verfahren zur Herstellung homogener Mischungen von partikelförmigen Komponenten und Vorrichtung zur Durchführung desselben

Info

Publication number: DE102017217683A1
Application number: DE102017217683.0A
Authority: DE
Inventors: Harald Bauer; Uwe Janoske
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-10-05
Filing date: 2017-10-05
Publication date: 2019-04-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lösungsmittelfreien Herstellung eines homogenen Gemisches mindestens zweier partikelförmiger Komponenten, wobei das Verfahren mindestens einen Verfahrensschritt umfasst, in welchem ein Stoffstrom (10), umfassend mindestens ein Trägergas und die mindestens zwei zu mischenden partikelförmigen Komponenten, mindestens einer Dehnströmung unterworfen wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sowie die Verwendung des erhaltenen homogenen Gemisches zur Herstellung von Aktivmaterialzusammensetzungen von Elektroden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung homogener Mischungen von partikelförmigen Komponenten, insbesondere zur lösungsmittelfreien Herstellung homogener Mischungen von partikelförmigen Komponenten, insbesondere von Aktivmaterialpartikeln und Bindemittelpartikeln zur Herstellung von Elektroden. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Stand der Technik
Elektroden für elektrochemische Zellen, beispielsweise Elektroden für lithiumhaltige Batteriezellen oder Elektroden für Brennstoffzellen, umfassen in der Regel mindestens ein partikelförmiges Material (z.B. partikelförmige Aktivmaterialien und/oder Leitzusätze), welches mit Hilfe mindestens eines Bindemittels zu einer agglomerierten Aktivmaterialzusammensetzung verbunden wird. Dabei ist es für die Qualität der Elektroden entscheidend eine möglichst homogene Verteilung sämtlicher Bestandteile der Aktivmaterialzusammensetzung, d.h. sämtlicher partikelförmiger Materialien als auch sämtlicher Bindemittel, zu erreichen. Im Stand der Technik werden hierzu zwei grundlegend verschiedene Verfahren beschrieben.
Beim sogenannten Slurry-Verfahren wird eine Aktivmaterialaufschlämmung hergestellt, in der die partikelförmigen Materialien in einer Lösung aus einem polymeren Bindemittel und einem geeigneten Lösungsmittel dispergiert ist. Die Aufschlämmung wird anschließend in einem Beschichtungsverfahren auf einem Stromsammler aufgebracht. Das Lösungsmittel wird nun durch Trocknen entfernt und man erhält eine poröse Schicht aus den partikelförmigen Materialien und dem Bindemittel auf der Oberfläche des Stromsammlers. Kathoden für lithiumhaltige Batteriezellen werden so z.B. unter Verwendung von Polyvinylidenfluorid (PVDF) als Bindemittel, N-Methylpyrrolidon (NMP) als Lösungsmittel und herkömmlichen partikelförmigen Aktivmaterialbestandteilen wie Nickel-Cobalt-Mangan-Mischoxiden (NCM) oder Nickel-Cobalt-Aluminium-Mischoxiden (NCA), sowie beispielweise Leitruß als Leitzusatz, hergestellt. Für die Herstellung von negativen Elektroden (Anoden) für Hochenergie-Batteriezellen ist PVDF als Bindemittel aufgrund der hohen Stromstärken in der Anode nicht geeignet. Hier wird im Slurry-Verfahren daher üblicherweise mit anderen Bindemitteln, beispielsweise Carboxymethylcellulose (CMC) in wässriger Lösung, gearbeitet. Als typisches Aktivmaterial für die negative Elektrode ist beispielsweise Graphit zu nennen. Die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel bringt jedoch neue Probleme mit sich, da zum einen nicht jedes Aktivmaterial unempfindlich gegenüber Wasser ist (z.B. vorlithiierte Aktivmaterialien), zum anderen das Wasser nur mit erhöhtem Aufwand aus der fertigen Elektrode wieder entfernt werden kann. Schließlich verursacht das Slurry-Verfahren so Kosten sowohl für die Bereitstellung des Lösungsmittels (z.B. NMP oder Wasser) als auch für dessen Entfernung aus der fertigen Elektrode.
Als Alternative hierzu wurde ein Verfahren zur lösungsmittelfreien Herstellung einer pastösen Aktivmaterialzusammensetzung z.B. in EP 1 644 136 beschrieben, welche auf die Oberfläche eines Stromsammlers aufgebracht oder zu freistehenden Aktivmaterialfolien verarbeitet werden kann. In dem Verfahren wird eine Aktivmaterialzusammensetzung in Form einer pastösen, formbaren Masse bereitgestellt, umfassend mindestens ein Elektrodenaktivmaterial und mindestens ein polymeres Bindemittel sowie ggf. mindestens einen Leitzusatz. Durch die Einbringung von Scherkräften (z.B. durch die Verwendung mechanischer Mühlen wie Strahl- oder Kugelmühlen) werden aus den Bindemittelpartikeln Fibrillen ausgebildet, welche eine Agglomeration der Aktivmaterialzusammensetzung bewirken. Die Masse kann z.B. mithilfe eines Extruders und/oder Kalanders zu einer stabilen, freistehenden Aktivmaterialfolie geformt werden.
Als Bindemittel wird vornehmlich Polytetrafluorethen (PTFE), ggf. in Mischungen mit weiteren Polymeren wie PVDF, eingesetzt, welches unter der Einwirkung von Scherkräften leicht plastifizierbar ist und so Fibrillen ausbildet. PTFE ist nicht für Hochenergie-Batterien nicht geeignet, da es hohen Stromstärken und/oder hohen Spannungen nicht Stand hält. Dies führt zu einer Zerstörung der Elektrodenstruktur, die mit einem Verbrauch des kostenintensiven Elektrolyts und der Bildung von unerwünschten Verunreinigungen in der elektrochemischen Zelle verbunden ist. Darüber hinaus ist der Einsatz mechanischer Mühlen wie Strahlmühlen mit einem hohen Energieverbrauch verbunden und führt durch die hohen Scherkräfte, welche bei der Kollision zwischen den Bindemittelpartikeln und den Aktivmaterialpartikeln insbesondere bei weichen Aktivmaterialien wie Graphit zu einer unerwünschten Deformation bis hin zu einer noch weniger erwünschten Destruktion der Aktivmaterialpartikel.
Zur schonenden Herstellung von homogenen Gemischen aus unterschiedlichen partikelförmigen Komponenten sind auch weitere Verfahren bekannt. Insbesondere Freifallmischer werden Beispielsweise zur Herstellung von Tonerzusammensetzungen für Laserdrucker eingesetzt und zeichnen sich durch einen niedrigen Energieverbrauch aus. Um eine effektive Bindung zwischen den Partikeln und einem partikelförmigen Bindemittel zu erzielen, treten in einem Freifallmischer jedoch zu wenig Kollision zwischen den Partikeln auf und die Kontaktzeiten sind zu gering.
Auch der geringe Anteil an Bindemittel, den eine Aktivmaterialzusammensetzung üblicherweise umfasst, erschwert die homogene Verteilung eines partikelförmigen Bindemittels in einer Zusammensetzung aus partikelförmigen Komponenten zusätzlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren bereitzustellen, welches die Herstellung homogener Mischungen aus mindestens zwei partikelförmigen Komponenten ohne den Einsatz eines Lösungsmittels erlaubt. Darüber hinaus sollte das Verfahren die partikelförmigen Komponenten mechanisch möglichst wenig beanspruchen. Idealerweise sollte schließlich unter Einsatz eines Bindemittels eine einfache Agglomeration der partikelförmigen Komponenten möglich sein. Diese Aufgaben werden durch das nachfolgend beschriebene Verfahren gelöst.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur lösungsmittelfreien Herstellung eines homogenen Gemisches mindestens zweier partikelförmiger Komponenten, wobei das Verfahren mindestens einen Verfahrensschritt umfasst, in welchem ein Stoffstrom, umfassend mindestens ein Trägergas und die mindestens zwei zu mischenden partikelförmigen Komponenten, mindestens einer Dehnströmung unterworfen wird.
Die partikelförmigen Komponenten können dabei jede partikelförmige Komponenten umfassen. Partikelförmig sind im Sinne der Erfindung sowohl Komponenten mit sehr geringem mittleren Teilchendurchmesser im Nanometerbereich als auch Komponenten mit einem Durchmesser im Millimeterbereich. Allgemein weisen die partikelförmigen Komponenten somit einen mittleren Teilchendurchmesser von 1 nm bis zu 1 mm, vorzugsweise 100 nm bis 100 µm und insbesondere 1 µm bis 10 µm auf.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die partikelförmigen Komponenten nach der Durchführung des Verfahrens im Wesentlichen denselben mittleren Teilchendurchmesser aufweisen wie vor der Durchführung des Verfahrens, d.h. dass sich der mittlere Teilchendurchmesser der partikelförmigen Komponenten um weniger als 10 %, vorzugsweise weniger als 5%, insbesondere weniger 2 % bezogen auf den mittleren Teilchendurchmesser vor der vor der Durchführung des Verfahrens ändert.
Darüber hinaus ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass sich die Oberfläche der partikelförmigen Komponenten nach der Durchführung des Verfahrens im Wesentlichen gleich der Oberfläche der partikelförmigen Komponenten vor der Durchführung des Verfahrens ist, wobei die Oberfläche über die Gasadsorption (BET-Messung nach DIN 66131 (veröffentlicht am 1. Juni 1993). Die BET-Messung erlaubt die Beurteilung der Größe der aktiven Oberfläche eines Materials und stellt einen Bezug zur Aktivität z.B. gegenüber einem Elektrolyten her. Vergrößert sich die Oberfläche eines Aktivmaterials wesentlich sinkt z.B. die lokale Stromdichte. Diese ist bei lithiumhaltigen Batteriezellen auf der negativen Elektrode (Anode) für die Interkalation treibende Kraft und es ist davon auszugehen, dass der Elektrolyt vermehrt Nebenreaktionen mit dem Material eingeht. Die BET Oberfläche von Materialien mit definiert eingestellter Oberfläche vergrößert sich bei geeigneter Ausführung und Wahl verschleißfester Oberflächen der erfindungsgemäßen Ausführungsform vorzugsweise um nicht mehr als 20%, stärker bevorzugt um nicht mehr als 10%, insbesondere um nicht mehr als 5%. Die Messung wird nach DIN 66131 durchgeführt (Messgas: Stickstoff; Temperatur: 77 K, Relativdruckbereich p/p₀ = 0,05 bis 0,3; Mehrpunktbestimmung).
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens eine der partikelförmigen Komponenten ein Bindemittel, insbesondere ein polymeres Bindemittel. Als Bindemittelpartikel sind sämtliche partikelförmigen Polymere geeignet, welche wenigstens an einem Teil der Oberfläche der Bindemittelpartikel durch Erwärmen oder durch die Zugabe geeigneter Additive, insbesondere Lösungsmittel, plastifizierbar sind. Dies ermöglicht so bei der Kollision mit weiteren partikelförmigen Komponenten die Ausbildung einer Haftverbindung, welche zur ggf. gewünschten Agglomeration des homogenen Gemischs der partikelförmigen Komponenten erforderlich ist.
Als Beispiele geeigneter Polymere sind thermoplastische Polymere, insbesondere Polyolefine (z.B. ethylen- und/oder propylenhaltige Homo- und Copolymere), Polyester (z.B. Polyethylenterephthalat (PET)), Polyvinylaromten (z.B. Polystyrol und Polystyrolderivate), Polyacrylate (z.B. Polymethyl(meth)acrylt) zu nennen. Hervorzuheben sind auch die herkömmlichen, aus dem Bereich der elektrochemischen Zellen bekannten Bindemittel wie Carboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Copolymer (SBR), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethen (PTFE) und Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer (EPDM).
In einer Ausführungsform wird auf den Einsatz von PVDF und PTFE und insbesondere auf den Einsatz von PTFE als Bindemittel verzichtet. Diese Ausführungsform ist insbesondere für die Herstellung von homogenen Gemischen von Aktivmaterialzusammensetzungen für negative Elektroden (Anoden) von Hochenergie-Batteriezellen geeignet.
Als weitere geeignete partikelförmige Polymere sind solche hervorzuheben, die nicht nur als Bindemittel sondern auch als Polymerelektrolyt in der Aktivmaterialzusammensetzung dienen können. Diese umfassen mindestens ein Polymer und mindestens ein Leitsalze, insbesondere ein Lithiumsalz. Als geeignete Polymere sind Polyether, wie Polyethylenoxid (PEO) und Polypropylenoxid (PPO) zu nennen.
In einer bevorzugten Ausführungsform macht die partikelförmige Polymerkomponente ≤ 30 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 25 Gew.-%, insbesondere 1 bis 10 Gew.-%, der gesamten partikelförmigen Komponenten in dem Stoffstrom aus. So ist es möglich, dass die Polymerkomponente als Bindemittel und/oder Polymerelektrolyt, eingesetzt wird. Für die Verwendung als reines Bindemittel ist ein Gehalt von 1 bis 10 Gew.-% ausreichend. Für die Verwendung als Polymerelektrolyt wird vorzugweise eine Menge eingesetzt, die ausreichend ist um die Poren, welche zwischen den der Aktivmaterialpartikeln verbleiben auszufüllen. Diese Poren machen üblicherweise 20 bis 30 Vol.-% der fertigen Aktivmaterialzusammensetzung aus.
Neben den Bindemittelpartikeln umfasst das zu homogenisierende Gemisch mindestens eine weitere partikelförmige Komponente. In einer Ausführungsform umfasst die weitere partikelförmige Komponente mindestens ein Aktivmaterial für eine Elektrode, insbesondere für eine negative Elektrode (Anode) einer lithiumhaltigen Batteriezelle. Es ist auch möglich, recyceltes Aktivmaterial, welches, bei der Herstellung von Elektroden beispielsweise beim Zuschnitt anfällt, durch Zerkleinerung z.B. in Schneidmühlen, Kugelmühlen oder Strahlmühlen, in ein partikelförmiges Material zu überführen, welches dann als partikelförmige Komponente im Rahmen des vorliegenden Verfahrens wiederverwendet werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass insbesondere partikelförmige Komponenten weicher Materialien allein oder auch zusammen mit härteren partikelförmigen Komponenten zu einem homogenen Gemisch verarbeitet werden können, ohne dabei die Struktur der weichen Partikel zu zerstören. Die Partikel aus dem weichen Material bleiben so während der Durchführung des Verfahrens im Wesentlichen unverändert. Dies hat den Vorteil, dass die Eigenschaften des Materials, welche insbesondere bei Aktivmaterialien häufig mit aufwendigen Verfahren hergestellt werden, auch nach dem Mischungsverfahren erhalten bleiben. Auch Schutzschichten, die z.B. vorlithiiertes Anodenaktivmaterial bei der Verarbeitung gegen Umwelteinflüsse schützen sollen, können so aus verhältnismäßig weichen Materialien bestehen. Weiche Materialien im Sinne der Anmeldung sind dabei insbesondere Materialien, welche einen Mohs-Härtegrad von ≥ 0,1 bis ≤ 3,5, vorzugsweise ≥ 0,2 bis ≤ 3, insbesondere ≥ 0,2 bis ≤ 2,5 aufweisen. Insbesondere hervorzuheben sind partikelförmige Komponenten, die Graphit, Lithium, Schwefel oder Gemische davon umfassen.
Die Mohs-Härte wird nach der im Stand der Technik bekannten Härteprüfung nach Mohs bestimmt, bei der die Härte durch die Ritzbarkeit eines Materials durch ein anderes ermittelt wird. Über diese Ritzbarkeit bzw. Ritzhärte wurde die Mohs-Skala erstellt, in der Talk die Härte 1, Gips die Härte 2, Kalkspat die Härte 3, Flussspat die Härte 4, Apatit die Härte 5, Feldspat die Härte 6, Quarz die Härte 7, Topas die Härte 8, Korund die Härte 9 und Diamant die Härte 10 aufweisen. Wenn sich ein Testmaterial von einem Material der Mohs-Skala nicht ritzen lässt, so ist seine Härte größer oder gleich der des Materials der Skala. Lässt sich ein Testmaterial von einem Material der Skala ritzen, so hat es eine geringere Härte. Die gleiche Härte liegt vor, wenn ein Testmaterial eines der aufgeführten Materialien der Mohs-Skala nicht ritzt und von diesem auch nicht geritzt werden kann. Wenn ein Testmaterial ein Skalenmaterial ritzt und selbst nicht von dem betreffenden Material sondern erst von dem nächsthöheren Material der Skala geritzt wird, so liegt die Härte des Testmaterials zwischen den Härten der beiden Materialien der Skala, was mit der Nachkommastelle 5 angegeben wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Teilchendurchmesser der weichen partikelförmigen Komponenten ≤ 15 µm, vorzugsweise 0,1 bis 10 µm.
Darüber hinaus können weitere partikelförmige Komponenten in das homogene Gemisch eingearbeitet werden. Als Beispiele sind zu nennen weitere Aktivmaterialien (z.B. siliciumhaltige Materialien), Festelektrolyte (z.B. anorganische Festelektrolyte) und Leitzusätze (z.B. Leitruß).
Der Stoffstrom umfasst mindestens ein Trägergas. Das Trägergas kann aktiv bewegt werden, d.h. eine Strömung ausbilden, oder passiv bewegt werden, indem Einbauten z.B. rotierend oder oszillierend bewegt werden, und dadurch eine Strömung bewirken. Um Reaktionen zwischen dem Trägergas und den partikelförmigen Komponenten zu unterbinden, handelt es sich vorzugweise um ein trockenes Gas, beispielsweise ein Inertgas (wie Stickstoff oder Argon) oder getrocknete Luft. Aus Kostengründen wird besonders bevorzugt Stickstoff oder getrocknete Luft mit Taupunkt < 40°C als Trägergas eingesetzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erreicht das Vermischen der partikelförmigen Komponenten dadurch, dass der Stoffstrom, umfassend mindestens ein Trägergas und die zu mischenden partikelförmigen Komponenten, einer Dehnströmung unterworfen wird. Dadurch werden Wirbel unterschiedlicher Größe in dem Stoffstrom erzeugt, welche eine schonende Durchmischung sämtlicher Komponenten zur Folge hat. Die Dehnströmung wird vorzugsweise dadurch erzielt, dass die Querschnittsfläche des Strömungsraums, durch den der Stoffstrom strömt, variiert wird. In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Dehnströmung dadurch erzielt wird, dass der dem Stoffstrom zur Verfügung stehende Strömungsraum reduziert oder vergrößert wird, wobei der geringste verbleibende Strömungsraum mindestens doppelt so groß ist, wie der größte mittlerer Teilchendurchmesser der partikelförmigen Komponenten. Vorzugsweise ist der verbleibende Strömungsraum mindestens fünfmal, insbesondere mindestens zehnmal so groß wie der größte mittlerer Teilchendurchmesser der partikelförmigen Komponenten. So kann eine starke mechanische Beanspruchung der partikelförmigen Komponenten, insbesondere eines weichen Materials, reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer kontinuierlichen oder in einer diskontinuierlichen Verfahrensweise durchgeführt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren in einer kontinuierlichen Verfahrensweise durchgeführt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Dehnströmung dadurch bewirkt wird, dass der Strömungsraum des Stoffstroms, umfassend die zu mischenden partikelförmigen Komponenten, einer Flächenänderung der Querschnittsfläche des Strömungsraums von mindestens 10 %, vorzugsweise mindestens 30 %, insbesondere mindestens 50 % unterworfen wird. Dabei ist darauf zu achten, dass die Flächenänderung der Querschnittsfläche vorzugsweise nicht sprunghaft sondern kontinuierlich erfolgt, um die Bildung von Kanten bzw. Vorsprüngen im Strömungsraum zu vermeiden. An diesen könnten sich andernfalls unerwünschte Materialablagerungen bilden. Der Strömungsraum weist daher vorzugsweise keine Winkel <120°, insbesondere <130°, auf.
Durch das beschriebene Verfahren bildet sich ein gleichmäßiger Stoffstrom, in dem die partikelförmigen Komponenten auf einem Film aus Trägergas über die Oberflächen des Strömungsraums gleiten ohne mit diesen zu kollidieren oder Ablagerungen zu bilden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Stoffstrom mindestens zwei Mal einer Dehnströmung ausgesetzt, vorzugsweise mindestens fünf Mal, insbesondere mindestens 10 Mal. Durch jede Dehnströmung bilden sich Wirbel in dem Stoffstrom. Die partikelförmigen Komponenten kollidieren so mit geringer Energie und werden vermischt ohne mechanisch übermäßig beansprucht zu werden.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Stoffstroms wird möglichst gering gewählt. Der Stoffstrom muss dabei gewährleisten, dass sich die partikelförmigen Komponenten mit diesem bewegen, ohne sich abzusetzen. Dies kann dadurch unterstützt werden, dass die Vorrichtung so aufgebaut wird, dass der Stoffstrom in Richtung der Schwerkraft geführt wird, um die Strömungsgeschwindigkeit der partikelförmigen Komponenten hoch zu halten. Gleichzeitig muss die Geschwindigkeit gering genug sein, um bei einer Kollision der partikelförmigen Komponenten diese mechanisch nicht zu sehr zu beanspruchen, sodass keine Deformation bzw. Destruktion der Partikel eintritt. Dies ist insbesondere bei partikelförmigen Komponenten aus weichen Materialien zu beachten. Die geeignete Strömungsgeschwindigkeit ist dabei insbesondere auf die Partikeldurchmesser der einzelnen Komponenten und den Gehalt an Partikeln abzustimmen. Oftmals ist eine Strömungsgeschwindigkeit von durchschnittlich 1 bis 10 L/min*m², insbesondere 2 bi 5 L/min*m² ausreichend. Dementsprechend wird kein hoher Druck des Trägergases benötigt. Häufig liegt dieser in einem Bereich von 0,5 bis 2,0 bar, insbesondere 0,7 bis 1,5 bar.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren, bei dem in Anschluss an die Herstellung des homogenen Gemisches eine Agglomeration der homogen vermischten partikelförmigen Komponenten bewirkt wird. Hierzu wird mindestens eine partikelförmige Komponente eingesetzt, welche Bindemittelpartikel umfasst, die der Agglomeration dienen. Dies kann durch geeignete Verfahren erfolgen, bei denen die Oberfläche der Bindemittelpartikel wenigsten teilweise plastifiziert wird. So tritt auch bei einer schwachen Kollision der teilweise plastifizierten Bindemittelpartikel mit Partikeln der übrigen partikelförmigen Komponenten ein ausreichender Kontakt der Oberflächen ein, um eine Agglomeration zu erreichen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Agglomeration dadurch erreicht, dass mindestens ein Teil der Bindemittelpartikel auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur, vorzugsweise oberhalb der Schmelztemperatur, des jeweiligen Polymers der Bindemittelpartikel erwärmt wird. Die Erwärmung kann auf jede dem Fachmann bekannte Weise erfolgen. Vorzugsweise wird zumindest einem Teil des Stoffstroms ein erwärmtes Trägergas zugeführt. Die Temperatur des Trägergases liegt hierbei oberhalb der Glasübergangstemperatur, vorzugsweise oberhalb der Schmelztemperatur, des jeweiligen Polymers der Bindemittelpartikel. Dem erwärmten Trägergas kann zusätzlich ein Teil der partikelförmigen Komponenten zugegeben werden, um diese vorzuwärmen und so die Agglomeration zu beschleunigen. Dieses Vorwärmen kann sowohl für die Bindemittelpartikel, als auch für die weiteren partikelförmigen Komponenten durchgeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Agglomeration der partikelförmigen Komponenten durch die Zugabe geringer Mengen eines Lösungsmittels eingeleitet oder unterstützt werden. Hierzu wird dem homogenen Gemisch 0,1 bis 2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der eingesetzten partikelförmigen Komponenten, eines Lösungsmittels zugegeben. Die Wahl des geeigneten Lösungsmittels ist auf das jeweilige Polymer der Bindemittelpartikel abzustimmen. Ein Lösungsmittel ist dann geeignet, wenn es in der Lage ist, die Bindemittelpartikel wenigstens teilweise an der Oberfläche zu Plastifizieren. Das Lösungsmittel wird vorzugsweise in Form eines Aerosols mit einem Trägergasstrom in das homogene Gemisch aus partikelförmigen Komponenten eingeleitet. Geeignete Lösungsmittel/Bindemittel-Kombinationen sind beispielsweise Wasser/CMC, Dichlormethan/Polystyrol(-derivate) und aromatische Kohlenwasserstoff e/Polyolefine.
Um ein möglichst homogenes Agglomerat zu erhalten, wird die Agglomeration erst eingeleitet, wenn bereits ein vollständig homogenes Gemisch der partikelförmigen Komponenten erzielt wurde.
Wird eine Agglomeration des homogenen Gemisches angestrebt, so hat es sich gezeigt, dass in diesem Fall die zu agglomerierenden partikelförmigen Komponenten vorteilhafterweise in etwa jeweils dieselben Partikeldurchmesser aufweisen. Das bedeutet, dass die Partikeldurchmesser in derselben Größenordnung liegen, d.h. nicht mehr als um einen Faktor von 10 voneinander abweichen. Dadurch wird ein ausreichender Kontakt zwischen den Bindemittelpartikeln und den jeweiligen weiteren partikelförmigen Komponenten hergestellt. Werden die Partikeldurchmesser der Bindemittelpartikel im Verhältnis zu den übrigen partikelförmigen Komponenten zu klein gewählt, so haften diese zwar auf der Oberfläche der partikelförmigen Komponenten, können jedoch keinen Kontakt zu weiteren Partikeln herstellen. Werden die Partikeldurchmesser der Bindemittelpartikel im Verhältnis zu den übrigen Komponenten hingegen zu groß gewählt, so reduziert sich dadurch bei vorgegebener Gesamtmenge an Bindemittel die Anzahl der Bindemittelpartikel und es bilden sich zu wenige Verknüpfungspunkte auf, um ein stabiles Agglomerat zu erhalten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen sämtliche der zu agglomerierenden partikelförmigen Komponenten einen Partikeldurchmesser in einem Bereich von jeweils 1 bis 10 µm auf.
Die Dauer, die zur vollständigen Homogenisierung des Gemisches aus partikelförmigen Komponenten benötigt wird, kann zusätzlich dadurch verkürzt werden, dass die zu mischenden partikelförmigen Komponenten in einem herkömmlichen Mischverfahren vorgemischt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass ein schonendes Mischverfahren gewählt wird, d.h. ein Mischverfahren in dem nur wenig Energie auf die partikelförmigen Komponenten einwirkt, um eine Deformation und/oder Destruktion der Partikel, insbesondere der weichen Partikel, zu unterbinden. Ein geeignetes Mischverfahren vor Vormischung der partikelförmigen Komponenten ist das Mischen in einem Freifallmischer.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird nicht die gesamte Menge der zu mischenden partikelförmigen Komponenten gleich zu Beginn in den Stoffstrom eingespeist. Beispielsweise werden zunächst zwei partikelförmige Komponenten eingespeist und mindestens eine weitere Komponente wird erst zugegeben, nachdem bereits ein homogenes Gemisch der erste zwei partikelförmigen Komponenten erhalten wurde. Alternativ oder zusätzlich kann auch erst nur ein Teil mindestens einer ersten partikelförmigen Komponente mit mindestens einer weiteren partikelförmigen Komponente vermisch werden und der übrigen Teil der ersten partikelförmigen Komponente in einem oder mehreren Schritten zu einem späteren Zeitpunkt dem homogenen Gemisch zugeführt werden. Beispielsweise wird zunächst von einer Komponente zunächst nur 50 Gew.-%, 30 Gew-% oder 20 Gew.-% der Gesamtmenge der ersten partikelförmigen Komponente zugeführt, und zu mindestens einem späteren Zeitpunkt die übrigen 50 Gew.-%, 70 Gew.-% bzw. 80 Gew.-% dieser ersten partikelförmigen Komponente. Die Zugabe der jeweiligen Komponenten erfolgt üblicherweise über einen oder mehrere Trägergasströme.
Das erhaltene agglomerierte, homogene Gemisch aus partikelförmigen Komponenten fällt in Form einer formbaren Masse an. Diese kann, beispielsweise mit Hilfe eines Extruders und/oder eines Kalanders, auf einer Oberfläche zu einer Folie ausgearbeitet werden. Gegebenenfalls enthaltene Lösungsmittelreste werden entfernt, vorzugsweise unter reduziertem Druck und/oder erhöhter Temperatur. Zur Herstellung einer Elektrode kann die aktivmaterialhaltige Masse beispielsweise auf einer Oberfläche eines Stromsammlers aufgebracht werden, oder zunächst zu einer freistehenden Aktivmaterialfolie verarbeitet werden, welche anschließend zugeschnitten und auf einer Oberfläche eines Stromsammlers aufgebracht werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Gegenstand der Erfindung ist somit auch eine Vorrichtung zur Herstellung eines homogenen Gemisches mindestens zweier partikelförmiger Komponenten. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung einen Strömungsraum umfasst, welcher entlang der Strömungsrichtung mindestens eine Änderung der Querschnittsfläche des Strömungsraums von mindestens 10 %, vorzugsweise mindestens 30 %, insbesondere mindestens 50 % aufweist. Durch diesen Strömungsraum wird bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens der ein Stoffstrom, umfassend mindestens ein Trägergas und die zu mischenden partikelförmigen Komponenten geleitet. Durch die Änderung der Querschnittsfläche des Strömungsraums treten in dem Stoffstrom Dehnströmungen auf, welche die Bildung von Wirbeln zur Folgen haben. So wird eine schonende Vermischung der partikelförmigen Komponenten erzielt. Wie bereits zuvor erläutert wurde, ist dabei darauf zu achten, dass die Flächenänderung der Querschnittsfläche nicht sprunghaft sondern kontinuierlich erfolgt, um die Bildung von Kanten bzw. Vorsprüngen im Strömungsraum zu vermeiden. An diesen könnten sich andernfalls Materialablagerungen bilden. Dies wird vorzugsweise dadurch gewährleistet, dass die innere Oberfläche des Strömungsraums keinen Winkel von <120°, insbesondere <130°, aufweist. Durch das beschriebene Verfahren bildet sich hingegen ein gleichmäßiger Stoffstrom, in dem die partikelförmigen Komponenten auf einem Film aus Trägergas über die Oberflächen des Strömungsraums gleiten ohne mit diesen zu kollidieren oder Ablagerungen zu bilden.
Der Strömungsraum kann von jedem dem Fachmann bekannten und geeigneten Material begrenzt sein. Besonders bevorzugt wird der Strömungsraum von einem Metall oder einer Metalllegierung begrenzt. Das Material zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es gegenüber den Materialien der partikelförmigen Komponenten nicht reaktiv ist.
Der Strömungsraum verfügt über mindestens eine Einlassöffnung, durch welche der Stoffstrom oder ein Teil des Stoffstroms in den Strömungsraum eingeleitet werden, sowie über mindestens eine Auslassöffnung, durch welche dass homogene Stoffgemisch bzw. dass agglomerierte homogene Stoffgemisch entnommen werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Strömungsraum über eine Vielzahl von Einlassöffnungen, über welche jeweils ein Teil des Stoffstroms zugeführt werden kann. Diese sind vorzugsweise über die Länge des Strömungsraums gleichmäßig verteilt.
In einer Ausführungsform Erfindung ist die minimale Querschnittsfläche des Strömungsraums mindestens doppelt so groß, vorzugsweise mindestens fünfmal, insbesondere mindestens zehnmal so groß, wie der größte mittlerer Teilchendurchmesser der partikelförmigen Komponenten. Dadurch wird die mechanische Beanspruchung der partikelförmigen Komponenten bei der Durchströmung des Strömungsraums weiter reduziert. Dies ist insbesondere bei weichen Materialien vorteilhaft, um eine Deformation oder Destruktion zu vermeiden.
Die Gesamtlänge des Strömungsraums ist so zu wählen, dass eine ausreichende Durchmischung der partikelförmigen Komponenten erfolgt und ein homogenes Gemisch erhalten wird. Oftmals ist hierfür eine Gesamtlänge des Strömungsraums von 0,1 bis 100 m, vorzugsweise 0,2 bis 20 m, insbesondere 0,5 bis 10 m ausreichend.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Strömungsraum mindestens ein Strömungsrohr ist, welches mindestens zwei, vorzugsweise mindestens fünf Verengungen, insbesondere mindestens zehn, Verengungen entlang der Strömungsrichtung des Stoffstroms aufweist, welche jeweils mindestens eine Änderung der Querschnittsfläche des Strömungsrohrs von mindestens 10 %, vorzugsweise mindestens 30 %, insbesondere mindestens 50 % bewirken. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere zur kontinuierlichen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist Strömungsraum eine helikale Struktur auf. Dies ermöglicht eine Reduzierung der Gesamtlänge der Vorrichtung. Vorzugsweise wird in diesem Fall die die Änderung der Querschnittsfläche durch Variationen der Ganghöhe der helikalen Struktur erzielt. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere zur kontinuierlichen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Strömungsraum, welcher durch einen Hohlkörper gebildet wird, in dessen Hohlraum ein zweiter geometrischer Körper exzentrisch und längsachsenparallelangeordnet ist, und der Strömungsraum in einer von der Längsachse des Hohlkörpers und des zweiten geometrischen Körpers abweichenden Achse in dem Zwischenraum zwischen der inneren Oberfläche des Hohlkörpers und der äußeren Oberfläche des zweiten geometrischen Körpers angeordnet ist, wobei die Änderung der Querschnittsfläche des Strömungsraums, welche durch die exzentrische und längsachsenparallele Anordnung des zweiten geometrischen Körpers in dem Hohlraum des Hohlkörpers erreicht wird, mindestens 10 %, vorzugsweise mindestens 30 %, insbesondere mindestens 50 % beträgt. Der zweite geometrische Körper weist einen maximalen Außendurchmesser auf, der vorzugsweise weniger als weniger als 90 %, insbesondere weniger als 75 %, des Innendurchmessers des Hohlkörpers entspricht. Vorzugsweise weisen der Hohlkörper und der zweite geometrische Körper einen Längenunterschied entlang der Längsachse von nicht mehr als 10 % auf. Der Stoffstrom wird so im Strömungsraum um den exzentrisch angeordneten zweiten geometrischen Körper geführt. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere zur kontinuierlichen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Hohlkörper um einen röhrenförmiger Hohlkörper.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen zweiten geometrischen Körper, welcher in dem Hohlraum des Hohlkörpers rotiert.
Der rotierende Körper kann in einer weiteren Ausführungsform als Walze ausgebildet sein, die um ein Zentrum innerhalb des Hohlkörpers läuft.
Um den Stoffstrom einer wiederholten Dehnströmung auszusetzen, wird der Strömungsraum vorzugsweise so angeordnet, dass dieser helikal entlang der Längsachse des Hohlkörpers und des zweiten geometrischen Körpers in dem Zwischenraum zwischen der inneren Oberfläche des Hohlkörpers und der äußeren Oberfläche des zweiten geometrischen Körpers befindet. Um eine gerichtete und präzise Leitung des Stoffstroms zu gewährleisten, ist der Hohlkörper an wenigstens einem Teil seiner inneren Oberfläche dazu vorzugsweise mit einem exzentrischen Innengewinde ausgestattet, welches einen zylindrischen Hohlraum entlang der Längsachse aufweist, in welchem ein zylindrischer Körper bündig schließend angeordnet ist, sodass der Strömungsraum durch den Gewindegang des Hohlkörpers gebildet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform rotiert der zylindrische Körper in dem Hohlraum des Hohlkörpers.
Alternativ kann auch eine Vorrichtung eingesetzt werden, welche einen zylindrischer Körper, der an seiner äußeren Oberfläche über ein exzentrische Außengewinde verfügt, in einem Hohlkörper entsprechend bündig schließend angeordnet ist, sodass der Strömungsraum durch den Gewindegang des Hohlkörpers gebildet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform rotiert der zylindrische Körper in diesem Fall in dem Hohlraum des Hohlkörpers nicht.
Darüber hinaus verfügt die Vorrichtung vorzugsweise über Maßnahmen, welche es erlauben dem Stoffstrom Wärmeenergie und/oder mindestens ein Lösungsmittel zuzuführen, um so eine Agglomeration der partikelförmigen Komponenten einleiten zu können, sofern mindestens eine der partikelförmigen Komponenten Bindemittelpartikel umfasst. Vorzugsweise sind diese Maßnahmen in den letzten 50 % der Gesamtlänge des Strömungsraums der Vorrichtung angeordnet, insbesondere in den letzten 30 % der Gesamtlänge des Strömungsraums. Auf diese Weise wird in dem ersten Teil, d.h. in den ersten 50 bis 70 % der Gesamtlänge des Strömungsraums, ein homogenes Gemisch der partikelförmigen Komponenten erhalten, welches in dem zweiten Teil agglomeriert wird. Vorzugsweise umfassen die Maßnahmen einen Trägergasstrom, welcher auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur, vorzugsweise oberhalb der Schmelztemperatur, des jeweiligen Polymers der Bindemittelpartikel, erwärmt wird und/oder ein Aerosol aus Trägergas und einem zur teilweisen Plastifizierung des jeweiligen Polymers der Bindemittelpartikel geeigneten Lösungsmittels. Besonders bevorzugt wird auf den Einsatz von Lösungsmitteln verzichtet, sodass Lösungsmittelreste anschließend nicht in einem zusätzlichen Verfahrensschritt entfernt werden müssen.
In einer alternativen Ausführungsform wird der Strömungsraum durch einen verschließbaren Hohlkörper gebildet, in welchem ein Stoffstrom dadurch erzeugt wird, das geometrische Körper innerhalb des Hohlkörpers derart bewegt werden, dass zwischen Wand und geometrischem Körper ein definierter Spalt gebildet wird. Vorzugsweise sind die geometrischen Körper als Walzen ausgebildet und werden im verschließbaren Hohlkörper derart angeordnet, dass sich zwischen der Innenoberfläche des Hohlkörpers und der Außenoberfläche der geometrischen Körper ein Spalt verbleibt. Bei Rotation der Walzen im Hohlkörper bildet sich die Strömung um die Walzen derart aus, dass die zu vermischenden Partikel von einem Luftfilm getragen werden und daher nicht mit hoher Intensität mit den Walzen kollidieren prallen und unzulässig beschädigt werden. Bei der Durchströmung des Spalts zwischen Walze und der Innenoberfläche des Hohlkörpers werden der Stoffstrom und die darin enthaltenen partikelförmigen Komponenten beschleunigt. Nach dem Durchströmen des Spalts tritt eine Verzögerung des Stoffstroms und der darin enthaltenden partikelförmigen Komponenten bei gleichzeitiger Dehnung (Dehnströmung) ein. Die in dem Stoffstrom enthaltenen partikelförmigen Komponenten werden so intensiv durchmischt.
In eine Ausführungsform können Hilfsorgane angeordnet sein, wie sie nach Stand der Technik bekannt sind, um die Strömung in Längsrichtung zu bewegen und zusätzlich eine makroskopische Quervermischung einzuleiten (Leitschaufeln). Besonders bevorzugt sind jedoch umlaufende Walzen, die einen variablen Durchmesser entlang der Längsachse der Walzen aufweisen, da hierdurch zusätzlich zur Dehnströmung an der Flanke der Walze entlang der Änderung des Durchmessers eine Querbewegung zur Vermischung eingeleitet werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines homogenen Gemisches mindestens zweier partikelförmiger Komponenten. Ferner ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Agglomerats eines homogenen Gemisches mindestens zweier partikelförmiger Komponenten auch Gegenstand der Erfindung.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein homogenes Gemisch mindestens zweier partikelförmiger Komponenten, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wurde. Das Gemisch zeichnet sich dadurch aus, dass die partikelförmigen Komponenten durch das Mischungsverfahren nicht deformiert oder zerstört wurden. Dies ist insbesondere auch für partikelförmige Komponenten weicher Materialien der Fall, welche einen Mohs-Härtegrad von 1 bis ≤ 3,5, vorzugsweise 1 bis ≤ 3, insbesondere 1 bis ≤ 2,5 aufweisen. Insbesondere hervorzuheben sind homogene Gemische, umfassend partikelförmige Komponenten, die Graphit, Lithium, Schwefel oder Gemische davon umfassen.
Weiterhin Gegenstand der Erfindung ist auch ein Agglomerat eines homogenen Gemisches mindestens zweier partikelförmiger Komponenten, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wurde. Das Agglomerat zeichnet sich dadurch aus, dass die partikelförmigen Komponenten durch das Mischungsverfahren nicht deformiert oder zerstört wurden. Dies ist insbesondere auch für weiche Materialien der Fall, welche einen Mohs-Härtegrad von ≥ 0,1 bis ≤ 3,5, vorzugsweise ≥ 0,2 bis ≤ 3, insbesondere ≥ 0,2 bis ≤ 2,5 aufweisen. Insbesondere hervorzuheben sind homogene Gemische, umfassend partikelförmige Komponenten, die Graphit, Lithium, Schwefel oder Gemische davon umfassen. Lediglich die Bindemittelpartikel unterlaufen im Rahmen des Agglomerierens einer gewünschten Deformation und bilden so Verknüpfungspunkte zwischen den weiteren partikelförmigen Komponenten aus.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Elektrode umfassend eine agglomerierte Aktivmaterialzusammensetzung, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wurde.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung homogener Gemische von partikelförmigen Komponenten ohne Einsatz von Lösungsmitteln. Dabei werden aufgrund der geringen Strömungsgeschwindigkeiten die zu vermischenden Partikel mechanisch geschont. Es tritt auch bei weichen Materialien keine Deformation oder Destruktion ein. Dies ist insbesondere bei Aktivmaterialzusammensetzungen, z.B. für negative Elektroden von lithiumhaltigen Batteriezellen, vorteilhaft, da die partikelförmigen, und häufig auch weichen Aktivmaterialien gezielt mit einer bestimmten Größe und Struktur hergestellt werden. Diese sollte daher bei der Herstellung der Elektroden nicht verändert werden. Dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet, welches mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden kann.
Darüber hinaus eignet sich das Verfahren zur Reduzierung der Herstellungskosten für agglomerierte Aktivmaterialzusammensetzungen, da sowohl auf Lösungsmittel als auch auf den Einsatz energieintensiver Vorrichtrungen wie Strahlmühlen verzichtet werden kann.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung des Strömungsraums einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine schematische Darstellung einer alternativen diskontinuierlichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit helikalem Strömungsraum,
4 eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit exzentrischem Strömungsraum,
5a eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit exzentrischem helikalem Strömungsraum,
5b eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit exzentrischem helikalem Strömungsraum,
5c eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit exzentrischem helikalem Strömungsraum, und
5d eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit exzentrischem helikalem Strömungsraum.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt einen kontinuierlich betriebenen Strömungsraum 1 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welcher eine Vielzahl von Verengungen 2 und Erweiterungen 3 des Querschnitts des Strömungsraums 1 aufweist. Der gezeigte Strömungsraum 1 weist drei Verengungen 2 und drei Erweiterungen 3 auf. Der Querschnitt des Strömungsraums 1 ist vorliegend rund ausgestaltet. Allerdings sind auch andere Ausgestaltungen, beispielsweise elliptische oder rechteckige Formen denkbar, solange hierdurch keine Bereiche in dem Strömungsraum 1 gebildet werden, welche eine Kollision der Partikel 21, 22, welche mit mindestens einem Stoffstrom 10, vorliegend gebildet aus der Zusammenführung von Stoffstrom 11, umfassend Partikel 21, und einem Stoffstrom 12, umfassend Partikel 22, in den Strömungsraum 1 geleitet werden, mit der Innenoberfläche des Strömungsraums 1 hervorrufen. Die Verengungen 2 und Erweiterungen 3 des Querschnitts des Strömungsraums 1 haben bei der Durchströmung durch den mindestens einen Stoffstrom 10 zur Folge, dass dieser jeweils einer Dehnströmung unterläuft, wenn sich der Querschnitt des Strömungsraums 1 ändert. Dabei entfernen sich die im Stoffstrom 11, 12 transportierten Partikel 21, 22 voneinander bzw. werden komprimiert. Dadurch verursachte Wirbel im Stoffstrom 10 bewirken eine homogene Vermischung der Partikel 21, 22. Während zu Beginn des Mischverfahrens die Partikel 21, 22 aus den Stoffströmen 11, 12 noch weitgehend inhomogen im Stoffstrom 10 im Strömungsraum 1 verteilt sind, ist bereits nach zwei Durchgängen durch die Verengungen 2 ein homogenes Gemisch erreicht worden. In dem erhaltenen Produktstrom 14 sind die Partikel 21, 22 homogen verteilt.
2 zeigt einen diskontinuierlich betriebenen Strömungsraum 1, welcher von einem Hohlkörper 5 begrenzt wird, welcher vorliegend zylindrisch ausgestaltet ist. In dem Strömungsraum 1 des zylindrischen Hohlkörpers 5 ist eine Achse 47 koaxial zu dem zylindrischen Hohlkörper 5 angeordnet, an der eine Vielzahl geometrischer Körper 6 ebenfalls koaxial angeordnet sind. Vorliegend ist eine Vorrichtung mit vier koaxial angeordneten geometrischen Körpern 6 angeordnet, die vorliegend ebenfalls zylindrisch ausgestaltet sind. Diese sind durch die Verbindungsstücke 46 derart mit der Achse 47 verbunden, dass zwischen der Innenoberfläche des Hohlkörpers 5 und der Außenoberfläche der geometrischen Körper 6 ein Spalt 51 verbleibt. Durch Rotation der Achse 47 bewegen sich die daran befestigten geometrischen Körper 6 im Hohlkörper 5 entlang dessen Innenoberfläche. Dadurch bildet sich im Strömungsraum 1 ein Stoffstrom 10 aus den zuvor in den Strömungsraum 1 eingebrachten Partikeln 21 und 22 sowie dem den Strömungsraum 1 ausfüllenden Trägergas aus. Dieser Stoffstrom 10 durchströmt nacheinander die Verengungen 2 und Erweiterungen 3, sodass der Stoffstrom 10 einer Vielzahl von Dehnströmungen unterzogen wird. Dadurch wird eine homogene Durchmischung der Partikel 21, 22 erzielt. Das Partikelgemisch kann nach Erreichen der gewünschten Homogenität aus dem Hohlkörper 5 entnommen werden. Vorzugsweise sind die geometrischen Körper 6 als Walzen ausgebildet und werden im verschließbaren Hohlkörper 5 derart angeordnet, dass sich zwischen der Innenoberfläche des Hohlkörpers 5 und der Außenoberfläche der geometrischen Körper 6 mindestens ein Spalt 51 verbleibt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die Walzen einen entlang der Längsachse der Walzen variablen Durchmesser auf, welcher somit variable Größen der Spalte 51 bewirken.
3 zeigt einen Strömungsraum 1, welcher durch eine helikale Struktur 4 im Innern gekennzeichnet ist. Die helikale Struktur 4 zeichnet sich dadurch aus, dass die Ganghöhen 41, 42, 43, 44, 45 der einzelnen Windungen voneinander abweichen, sodass sich dadurch eine Veränderung der Querschnittsfläche des Strömungsraums 1 ergibt. Der Stoffstrom 10, umfassend die Partikel 21 und 22, durchströmt den Strömungsraum 1, wobei der Stoffstrom 10 wiederholt komprimiert und gedehnt wird. Die dadurch entstehenden Wirbel bewirken die homogene Vermischung der Partikel 21, 22. In dem erhaltenen Produktstrom 14 sind die Partikel 21, 22 homogen verteilt.
4 zeigt einen Strömungsraum 1, welcher aus einem Hohlkörper 5 und einem darin exzentrisch angeordneten geometrisch Körper 6 begrenzt wird. Vorliegend sind beide als zylindrische Körper ausgestaltet. Der Stoffstrom 10, umfassend die Partikel 21 und 22, durchströmt den Strömungsraum 1, wobei der Stoffstroml0 komprimiert und gedehnt wird. Die dadurch entstehenden Wirbel bewirken die homogene Durchmischung der Partikel 21, 22. Der geometrische Körper 6 kann optional in oder entgegen der Strömungsrichtung des Stoffstroms 10 rotiert werden und so die Vermischung unterstützen. Um Ablagerungen der zu mischenden Partikel 21, 22 an der Einlass- bzw. Auslassöffnung zu vermeiden, ist der Verschlussbereich 7 des zylindrischen Hohlraums in der vorliegenden Ausführung für den Stoffstrom 10 verschlossen. In dem erhaltenen Produktstrom 14 sind die Partikel 21, 22 homogen verteilt.
5a zeigt die schematisch Darstellung einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit exzentrischem helikalem Strömungsraum 1. Dieser wird durch einen vorliegend zylindrisch ausgestalten Hohlkörper 5 begrenzt, in dem exzentrisch und längsachsenparallel ein geometrischer Körper 6 bündig schließend angeordnet ist. Dieser ist vorliegend ebenfalls als zylindrischer Körper ausgestaltet. Der Hohlkörper 5 weist auf seiner inneren Oberfläche ein exzentrisches Innengewinde 8 auf, welches in 5a nicht dargestellt ist. Durch die Gewindegänge des Innengewindes 8 wird der Strömungsraum 1 aus dem Abstand zwischen der Innenoberfläche des Hohlkörpers 5 und der Außenoberfläche des zylindrischen Körpers 6 gebildet. Durch die exzentrische Anordnung des zylindrischen Körpers 6 wird eine Vielzahl von Verengung über die Gesamtlänge des Strömungsraums 1 ausgebildet, welche in 5a durch einen Spalt 51 gekennzeichnet ist. Die Verengung des Strömungsraums 1 ist an der engsten Stelle mindestens doppelt so groß ist wie der größte mittlere Teilchendurchmesser der Partikel 21, 22.
In 5b ist schematisch das Innengewinde 8 dargestellt. Dieses bildet den eigentlichen Strömungsraum 1, welcher sich helikal entlang der Längsachse 50 um den zylindrischen geometrischen Körper 6 windet. Durch die exzentrische Anordnung des zylindrischen geometrischen Körpers 6 weist der der Strömungsraum 1 mit jedem Umlauf um den zylindrischen geometrischen Körper 6 jeweils einen Kompressions- und einen Dekompressionsbereich auf. Der Trägergasstrom 13, sowie der Stoffstrom 12, umfassend die Partikel 22, und der der Stoffstrom 11, umfassend die Partikel 21, werden beabstandet an verschiedenen Stellten der Vorrichtung in den Strömungsraum 1 eingeleitet. Am Ende der Gesamtlänge des Strömungsraums 1 kann das homogene Produktstrom 14 entnommen werden. Optional kann eine Heizvorrichtung 9 installiert werden, welche den vereinten Stoffstrom 10 und die darin enthaltenen Partikel 21, 22, insbesondere die Bindemittelpartikel, erwärmt. Dies kann durch eine Erwärmung der des Hohlkörpers 5, des zylindrischen geometrischen Körpers 6 oder - bevorzugt - durch Zufuhr eines erwärmten Trägergasstroms 13, z.B. des Stoffstroms 11, erreicht werden. Die Temperatur ist dabei so gewählt, dass sie oberhalb der Glasübergangstemperatur, insbesondere oberhalb der Schmelztemperatur, des Polymers der Bindemittelpartikel liegt. In dem Bereich der Heizvorrichtung 9 findet so durch Kollision der durch Wärmezufuhr mindestens an deren Oberfläche plastifizierten Bindemittelpartikel mit den übrigen partikelförmigen Komponenten eine Agglomerierung der Partikel 21, 22 statt. In dem erhaltenen Produktstrom 14 sind die agglomerierten Partikel 21, 22 homogen verteilt.
5c zeigt eine alternative Ausführungsform der in 5b dargestellten Vorrichtung, wobei der Spalt 51 zwischen der Innenoberfläche des Hohlkörpers 5 und der Außenoberfläche des zylindrischen geometrischen Körpers 6 über die Gesamtlänge des Strömungsraums 1 kontinuierlich reduziert wird. Am Ende des Strömungsraums 1 ist der Spalt 51' deutlich kleiner als der Spalt 51 am Beginn des Strömungsraums 1. Die Verengung des Strömungsraums 1 ist an der engsten Stelle, d.h. an der Stelle des Spaltes 51', mindestens doppelt so groß ist wie der größte mittlere Teilchendurchmesser der Partikel 21, 22.
5d zeigt ebenfalls eine alternative Ausführungsform der in 5b dargestellten Vorrichtung, wobei der Spalt 51 zwischen der Innenoberfläche des Hohlkörpers 5 und der Außenoberfläche des zylindrischen geometrischen Körpers 6 entlang der Gesamtlänge des Strömungsraums 1 zunächst reduziert und anschließend wieder erhöht wird. Am Anfang und am Ende des Strömungsraums 1 weist der Spalt 51 jeweils dieselbe Größe auf, während in der Mitte ist der reduzierte Spalt 51' eine deutlich geringere Größe aufweist. Die Verengung des Strömungsraums 1 ist an der engsten Stelle, d.h. an der Stelle des Spaltes 51', mindestens doppelt so groß ist wie der größte mittlere Teilchendurchmesser der Partikel 21, 22.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1644136 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 66131 [0012]

Claims

Verfahren zur lösungsmittelfreien Herstellung eines homogenen Gemisches mindestens zweier partikelförmiger Komponenten, wobei das Verfahren mindestens einen Verfahrensschritt umfasst, in welchem ein Stoffstrom (10), umfassend mindestens ein Trägergas und die mindestens zwei zu mischenden partikelförmigen Komponenten, mindestens einer Dehnströmung unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die partikelförmigen Komponenten nach der Durchführung des Verfahrens im Wesentlichen denselben mittleren Teilchendurchmesser aufweisen wie vor der Durchführung des Verfahrens.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eine der partikelförmigen Komponenten ein Bindemittel umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens eine der partikelförmigen Komponenten ein weiches Material umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dehnströmung dadurch erzielt wird, dass der dem Stoffstrom (10) zur Verfügung stehende Strömungsraum (1) reduziert oder vergrößert wird, wobei der geringste verbleibende Strömungsraum (1) mindestens doppelt so groß ist, wie der größte mittlerer Teilchendurchmesser der partikelförmigen Komponenten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dehnströmung dadurch bewirkt wird, dass der dem Stoffstrom (10) zur Verfügung stehende Strömungsraum (1) einer Flächenänderung der Querschnittsfläche des Strömungsraums (1) von mindestens 10 %, unterworfen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit des Stoffstroms (10) 1 bis 10 L/min*m² beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei nach der Herstellung des homogenen Gemisches der partikelförmigen Komponenten eine mindestens teilweise Agglomeration der partikelförmigen Komponenten bewirkt wird.
Vorrichtung zur Herstellung eines homogenen Gemisches mindestens zweier partikelförmiger Komponenten, wobei die Vorrichtung einen Strömungsraum (1) umfasst, welcher entlang der Strömungsrichtung mindestens eine Änderung der Querschnittsfläche des Strömungsraums (1) von mindestens 10 % aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die minimale Querschnittsfläche des Strömungsraums (1) mindestens doppelt so groß ist wie der größte mittlerer Teilchendurchmesser der partikelförmigen Komponenten.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Vorrichtung einen Strömungsraum (1) umfasst, welcher durch einen Hohlkörper (5) gebildet wird, in dessen Hohlraum ein zweiter geometrischer Körper (6) exzentrisch und längsachsenparallel angeordnet ist, und der Strömungsraum (1) in einer von der Längsachse (50) des Hohlkörpers (5) und des zweiten geometrischen Körpers (6) abweichenden Achse in dem Zwischenraum zwischen der inneren Oberfläche des Hohlkörpers (5) und der äußeren Oberfläche des zweiten geometrischen Körpers (6) angeordnet ist, wobei die Änderung der Querschnittsfläche des Strömungsraums (1), welche durch die exzentrische und längsachsenparallele Anordnung des zweiten geometrischen Körpers (6) in dem Hohlraum des Hohlkörpers (5) erreicht wird, mindestens 10 %, vorzugsweise mindestens 30 %, insbesondere mindestens 50 % beträgt.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 zur Herstellung eines homogenen Gemisches mindestens zweier partikelförmiger Komponenten.
Homogenes Gemisch mindestens zweier partikelförmiger Komponenten, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
Agglomerat eines homogenen Gemisches zweier partikelförmiger Komponenten, hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 8.
Elektrode, umfassend eine agglomerierte homogene Aktivmaterialzusammensetzung, umfassend mindestens ein Aktivmaterial und mindestens ein Bindemittel, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 8.