Pumpen für die Lithiumbatterieherstellung: Ein Leitfaden zur Auswahl von Pumpen für den Elektrolyttransport, die Handhabung von NMP-Lösungsmitteln und die Temperaturregelung in Beschichtungsanlagen

Eine Fabrik zur Herstellung von Lithium-Batteriezellen wird mit Flüssigkeiten betrieben. Schlamm wird gemischt und aufgetragen, Lösungsmittel wird abgetrocknet und zurückgewonnen, Elektrolyt wird in die fertigen Zellen dosiert, und Kühl- und Heizkreisläufe halten jeden Schritt auf der richtigen Temperatur. Die meisten dieser Flüssigkeiten sind korrosiv, brennbar, giftig oder so feuchtigkeitsempfindlich, dass schon eine winzige Wasserspur die Zelle unbrauchbar macht. Die Pumpen, die diese Flüssigkeiten fördern, sind kein Nebenaspekt. Wählt man die falsche Pumpe, kommt es zu Dichtungslecks in Bereichen mit brennbaren Lösungsmitteln, zum Eindringen von Wasser, das den Elektrolyten hydrolysiert, oder zu einer verunreinigten Beschichtung, die eine ganze Elektrodenrolle unbrauchbar macht. Dieser Leitfaden behandelt die Pumpenanforderungen in der Lithium-Batterieherstellung, bei der nicht der Durchfluss, sondern die Flüssigkeit ausschlaggebend für die Wahl der Pumpe ist.

Seit Jahren bauen wir für Kunden aus dem Bereich der neuen Energien dichtungslose Magnetkupplungs- und Magnetgetriebepumpen, unter anderem für die Förderung von Elektrolyten und Lösungsmitteln sowie für die Zirkulation in Beschichtungsanlagen. Ein Beispiel: In einer deutschen Beschichtungsanlage für Lithium-Batterie-Separatoren kommen unsere MDH-Wirbel-Magnetpumpen mit maßgeschneiderten Motoren zum Einsatz. Im Folgenden gehen wir Station für Station den Zellherstellungsprozess durch – Elektrolyt, NMP-Lösungsmittel und dessen Rückgewinnungskreislauf, Dosierung von Bindemitteln und Additiven sowie die Temperaturregelung der Beschichtungsanlage – und erläutern dabei die Anforderungen an Material, Dichtheit und Dosierung, die den Pumpeneinsatz in der Batteriechemie von gewöhnlichen Förderaufgaben unterscheiden. Wo eine Anwendung außerhalb des Einsatzbereichs dichtungsloser Pumpen liegt – und hier ist vor allem die abrasive Elektrodenaufschlämmung zu nennen –, weisen wir klar darauf hin.

1. Die Aufgaben der Pumpen in einer Produktionsanlage für Lithium-Batteriezellen

Lassen wir das reine Brauchwasser einmal außer Acht, das mit herkömmlichen Zentrifugalpumpen gefördert wird. Der Bereich der Fördertechnik in einer Zellfabrik lässt sich in folgende Pumpenaufgaben unterteilen, die jeweils unterschiedliche Fördermedien und Genauigkeitsanforderungen aufweisen:

● Förderung von Schlamm und Beschichtungsmaterial — Förderung von Kathodenslurry (auf NMP-Basis) und Anodenslurry (auf Wasserbasis) von den Mischern zur Beschichtungsdüse. Hoher Feststoffanteil, abrasiv und scherempfindlich.

● Dosierung von Bindemitteln und Zusatzstoffen — Dosierung der PVDF-Bindemittellösung und der Dispersionen mit leitfähigen Additiven in einem kontrollierten Mischungsverhältnis in die Mischung.

● NMP-Lösungsmittelübertragung und -Rückgewinnung — die Beschichtung mit Material versorgen und das zurückgewonnene Lösungsmittel durch den Kondensations- und Destillationskreislauf zurück zur Mischanlage pumpen.

● Elektrolytübertragung und -dosierung — Umfüllung von LiPF₆-Elektrolyt aus Fässern und IBC-Behältern in Tagestanks und Beschickung der Abfüllmaschinen – auslaufsicher und feuchtigkeitsdicht.

● Temperaturregelung in Beschichtungsanlagen und im Produktionsprozess — gekühltes Glykol wird zu den doppelwandigen Mischern und Trockenräumen geleitet, während heiße Flüssigkeit oder Thermoöl zu den beheizten Walzen und Trocknungszonen fließt.

● Entstehung und Kühlung von Nutzstoffen — Zirkulation von Reinflüssigkeit für die Formgebung, die Reifung und die allgemeine Prozesskühlung.

Vier Anforderungen ziehen sich durch alle chemischen Aufgabenbereiche: Materialverträglichkeit mit HF-bildendem Elektrolyten und aggressiven Lösungsmitteln, absolute Dichtheit in Bereichen mit brennbaren Lösungsmitteln, Ausschluss von Luftfeuchtigkeit aus dem Elektrolytkreislauf sowie eine Dosiergenauigkeit, die einen Sollwert für die Beschichtung oder Befüllung einhält. Die abrasive Elektrodensuspension stellt ein separates Problem dar, das mit Exzenterschnecken- oder Peristaltikpumpen gelöst wird. Bei den Aufgaben im Zusammenhang mit Elektrolyt, Lösungsmittel, Dosierung und Temperaturregelung sind dichtungslose Magnetkupplungs- und Magnetgetriebepumpen das richtige Werkzeug, und genau darauf konzentriert sich dieser Leitfaden.

2. Elektrolyt: Warum eine feuchtigkeitsdichte, dichtungslose Pumpe erforderlich ist

Der Lithium-Ionen-Elektrolyt besteht aus einem Lithiumsalz – fast immer LiPF₆ – gelöst in einer Mischung aus organischen Carbonat-Lösungsmitteln wie EC, DMC und EMC. Er ist korrosiv, brennbar und äußerst feuchtigkeitsempfindlich. LiPF₆ reagiert bereits mit geringsten Wasserspuren über eine Hydrolysekette, die in Flusssäure (HF) mündet, welche Metalle, Glas und die meisten Pumpenwerkstoffe angreift und gleichzeitig die Zellchemie zersetzt. Daher muss eine Elektrolytpumpe zwei Aufgaben gleichzeitig erfüllen: den Elektrolyten im Inneren halten und feuchte Luft fernhalten.

Das schließt eine Pumpe mit Gleitringdichtung oder mechanischer Dichtung aus. Eine Dichtung ist sowohl ein Leckageweg für brennbare Lösungsmitteldämpfe als auch ein Eintrittsweg für Feuchtigkeit. Eine dichtungslose Magnetkupplungspumpe schließt beides aus: Das Drehmoment wird über eine Magnetkupplung auf ein statisches Gehäuse übertragen, sodass es überhaupt keine dynamische Dichtung gibt. Medienberührte Teile müssen aus nichtmetallischen Werkstoffen bestehen oder mit Fluorpolymeren ausgekleidet sein – PTFE, PFA oder ETFE – und auf Siliziumkarbidlagern laufen, da jedes metallische, mit der Flüssigkeit in Berührung kommende Teil korrodiert, sobald sich HF bildet. Ein Detail stellt Anlagen vor ein Problem: die Elastomere. Karbonatlösungsmittel quellen herkömmliche FKM-O-Ringe (Viton) so stark auf, dass sie ihre Dichtwirkung verlieren; daher ist FFKM (Perfluorelastomer) die Standardausführung für den Einsatz mit Elektrolyten.

Da das Lösungsmittelgemisch entflammbar ist, werden Bereiche mit Elektrolyt- und Lösungsmittelpumpen in der Regel als ATEX- oder IECEx-Zone 1 oder Zone 2 eingestuft. Der Motor muss über eine Ex-Zulassung verfügen, die der Zoneneinstufung entspricht – überprüfen Sie dies vor dem Kauf anhand der Zeichnung der Anlage für explosionsgefährdete Bereiche. Unsere AMC-F PTFE-ausgekleidete Magnetkupplungspumpe ist die mit Fluorpolymer ausgekleidete, dichtungslose Konstruktion, die für diesen Einsatz erforderlich ist, und sie lässt sich mit unserem Auslaufsichere Pumpenlösungen und Korrosionsbeständige Pumpenlösungen um einen umfassenderen Überblick über den Umgang mit korrosiven Stoffen zu erhalten.

3. Elektrolyttransfer, Dosierung und Befüllung

Es gibt drei unterschiedliche Aufgabenbereiche für Elektrolytpumpen, und nicht für alle wird dieselbe Pumpe verwendet. Beim Massentransport wird Elektrolyt aus Lieferfässern oder IBC-Behältern in Tagestanks und Pufferbehälter befördert – ein kontinuierlicher, leckagefreier und feuchtigkeitsdichter Vorgang. Bei der dosierten Zufuhr wird Elektrolyt mit einer geregelten Durchflussrate in den Puffer der Abfüllmaschine geleitet. Die abschließende Dosierung in jede Zelle – Mikroliter bei einer Knopfzelle, Gramm bei einer Beutel- oder Prismazelle, die in der Regel unter Vakuum angesaugt wird – erfolgt über den eigenen Präzisionsdosierkopf der Abfüllmaschine, typischerweise einen Keramikkolben oder eine Peristaltikeinheit, die für eine Einzeldosiergenauigkeit von ±0,5–1 % ausgelegt ist. Dieser Mikrodosierkopf ist Teil der Abfüllanlage. Die von Ihnen separat spezifizierte Pumpe ist diejenige, die den Elektrolyten dorthin fördert und zuführt.

Für die Förderung von Fässern oder IBC-Containern in Tanks sowie für die Zuführung vom Tank zur Maschine sorgt eine dichtungslose Magnetzahnradpumpe für einen gleichmäßigen, reproduzierbaren und pulsationsfreien Volumenstrom, ohne dass Dichtungen undicht werden oder Feuchtigkeit eindringen kann. Die MDC-M Mikro-Magnetzahnradpumpe eignet sich für die Dosierung kleiner Mengen an Elektrolyten und Additiven; die MDC-K-Magnetzahnradpumpe und die MDC-X Magnetzahnradpumpe für mittlere bis große Durchflussmengen höhere Fördermengen bewältigen. Für größere, leckagefreie Fördermengen direkt aus dem Großlager ist die AMC-F PTFE-ausgekleidete Magnetkupplungspumpe sorgt dafür, dass der gesamte Weg von der Trommel bis zum Tagestank inaktiv und eingedämmt bleibt.

4. NMP-Lösungsmittel: Handhabung und Rückgewinnungspumpen

NMP (N-Methyl-2-pyrrolidon) ist das Lösungsmittel, das das PVDF-Bindemittel in der Kathodensuspension löst. Da es teuer, ein regulierter VOC und ein Reproduktionstoxin ist, werden in einer modernen Beschichtungsanlage zwei Maßnahmen ergriffen: Es wird leckagefrei gehandhabt und zurückgewonnen. NMP siedet bei etwa 203 °C und ist vollständig mit Wasser mischbar; diese beiden Eigenschaften bestimmen den Rückgewinnungsprozess und die Wahl der Pumpe.

Während der Elektrodentrocknung enthält das Abgas aus dem Beschichtungsofen NMP-Dampf. Ein Kaltkondensationssystem gewinnt etwa 90–95 % davon als Flüssigkeit zurück; das gesättigte Restgas durchläuft einen Zeolith- oder Aktivkohle-Rotorkonzentrator und häufig einen regenerativen thermischen Oxidator, um die VOC-Grenzwerte endgültig einzuhalten. Das zurückgewonnene NMP wird anschließend unter Ausnutzung seines hohen Siedepunkts und seiner Mischbarkeit mit Wasser destilliert und in den Slurry-Mischprozess zurückgeführt. Dieser Kreislauf umfasst mehrere Pumpenaufgaben: die Förderung des zurückgewonnenen Kondensats, die Beschickung und den Rückfluss der Destillationskolonne sowie die Rückführung des gereinigten NMP in den Mischraum, wobei ein Teil davon heiß ist.

Dichtungslose Pumpen eignen sich für all diese Anwendungen. Für den NMP-Transfer und die Rückgewinnung ist die AMC-L-Pumpe mit Magnetantrieb für chemische Prozesse und AMC-F PTFE-ausgekleidete Magnetkupplungspumpe eine auslaufsichere Handhabung des Lösungsmittels gewährleisten und eine MDC-K-Magnetzahnradpumpe ermöglicht eine dosierte, pulsfreie Förderung, wenn eine konstante Förderrate erforderlich ist. Auch Heißdestillationsanwendungen sind mit der magnetgetriebenen Ausführung mit der richtigen Temperaturbeständigkeit möglich. Hier spielt auch ein regulatorischer Aspekt eine Rolle: Die Vorschriften für Fluorpolymere und PFAS werden immer strenger, und unser Hinweis zu PFAS-Vorschriften und Anforderungen an Chemiepumpen erläutert, was dies für die Auslegung von Pumpen mit Auskleidung bedeutet.

5. Dosierung von Bindemitteln und Zusatzstoffen für Schlamm

Die Elektrodenaufschlämmung selbst ist der einzige Arbeitsgang in der Zellfabrik, für den dichtungslose Zahnrad- und Wirbelpumpen nicht ausgelegt sind. Kathodensuspension (aktives Material plus PVDF-Bindemittel in NMP) und Anodensuspension (Graphit mit einem wasserbasierten CMC- und SBR-Bindemittel) sind feststoffreich, abrasiv, scherempfindlich und stark scherverdünnend, wobei die Viskosität entlang der Produktionslinie um ganze Größenordnungen schwankt. Der Transport der Slurry vom Mischer zum Beschichter erfolgt standardmäßig mit Exzenterschneckenpumpen (Mono) oder Peristaltikpumpen, und der Schlitzdüsenbeschichter benötigt eine pulsfreie Zufuhr. Diese Ausrüstung wird in der Regel mit der Beschichtungsanlage geliefert.

Magnetgetriebe-Zahnradpumpen sind die richtige Wahl für abriebarme Dosieraufgaben im Bereich des Mischers – zum Dosieren von PVDF-Bindemittellösungen, Dispersionen mit leitfähigen Additiven und anderen Medien mit niedriger bis mittlerer Viskosität in einem kontrollierten Verhältnis, pulsationsfrei und leckagefrei. Die MDC-M Mikro-Magnetzahnradpumpe ermöglicht die präzise Dosierung kleiner Mengen; das MDC-K-Magnetzahnradpumpe erhöht den Durchfluss. Für abrasive Schlämme mit hohem Feststoffanteil ist eine für Feststoffe ausgelegte Verdrängerpumpe die richtige Wahl, und unsere Funktionsweise und Auswahlhilfe für Verdrängerpumpen erläutert die Vor- und Nachteile. Die vollständige Baureihe der Verdrängerpumpen umfasst das Sortiment an Zahnrädern und Leitschaufeln.

6. Temperaturregelung in Beschichtungsanlagen und im Produktionsprozess

Eine Produktionslinie betreibt Heiß- und Kaltkreisläufe parallel, wobei jeder eine saubere, leckagefreie Umwälzpumpe benötigt. Das Mischen von Slurries unter hoher Scherbeanspruchung erzeugt Wärme, daher sind die Kathoden- und Anodenmischer mit einem Mantel versehen und werden mit gekühltem Wasser oder Glykol auf Temperatur gehalten. In Batterietrockenräumen, die auf einen extrem niedrigen Taupunkt gehalten werden, kommen Trockenmittelentfeuchter zum Einsatz, die durch Kühlaggregate und Glykolkreisläufe unterstützt werden. Auf der Heißseite, wo eine Anlage ihre Kalanderwalzen erwärmt oder Heißflüssigkeit an Trocknungszonen liefert, zirkuliert heißes Wasser oder Thermoöl.

Dichtungslose Magnetkreiselpumpen übernehmen die Aufgabe der sauberen Warm- und Kaltwasserzirkulation, ohne dass eine Dichtung vorhanden ist, durch die Kühlmittel austreten oder Luft eindringen könnte. Die MDW-Edelstahl-Wirbelmagnetpumpe und MDH-Edelstahl-Wirbelpumpe mit Magnetantrieb für den Umlauf von gekühltem Glykol und heißer Flüssigkeit — die Pumpe der MDH-Klasse wird in der zuvor erwähnten deutschen Beschichtungsanlage für Separatoren eingesetzt. Wenn es sich um den Einsatz von echtem Thermoöl bei hohen Temperaturen handelt, dann ist die WRY-H-Hochtemperatur-Thermalölpumpe ist dafür ausgelegt. Informationen zum größeren Temperaturregelungsbereich finden Sie in unserem Lösungen für Hochtemperaturpumpen und die Pumpenlösungen für die Prüfung von EV-Batterien wird im Bereich der Zelluntersuchungen eingesetzt.

7. Materialverträglichkeit bei Pumpen für Batteriechemien

Die Wahl des Werkstoffs ist entscheidend dafür, ob eine Pumpe lange hält oder bereits nach wenigen Wochen ausfällt. Diese Tabelle gibt einen Überblick über die Auswahl an medienberührten Werkstoffen und Elastomeren für die wichtigsten Flüssigkeiten in der Batterieherstellung.

Edelstahl 316L eignet sich zwar für reines Brauchwasser, Glykol und trockenes, kühles NMP, ist jedoch kein medienberührtes Material für Elektrolyte, sobald sich HF bilden kann. Diese Leitung muss mit Fluorpolymer ausgekleidet oder aus einem nichtmetallischen Werkstoff bestehen – Punkt.

8. Eine Matrix zur Pumpenauswahl für die Herstellung von Lithium-Batterien

Bezogen auf die Zell-Anlagen-Stationen ergibt sich folgende Pumpenauswahl:

9. Warum dichtungslose Magnetkupplungs- und Zahnradpumpen für die Batterieherstellung geeignet sind

Der rote Faden, der sich durch alle oben genannten chemischen Anwendungen zieht, ist die Dichtung – oder das Fehlen einer solchen. Die Batterieherstellung ist quasi ein Lehrbuchbeispiel für dichtungslose Pumpen, da hier alle Gründe für den Verzicht auf eine Gleitringdichtung zusammenkommen:

● Keine Leckage von brennbaren Lösungsmitteln — Keine dynamische Dichtung bedeutet, dass in einem Bereich der Zone 1 oder Zone 2 kein Leckpfad vorhanden ist.

● Feuchtigkeitsschutz — dieselbe Schutzhülle, die den Elektrolyten im Inneren hält, hält feuchte Luft fern und schützt LiPF₆ vor Hydrolyse.

● Keine Dichtungsspülung, keine Verunreinigung — Eine dichtungslose Pumpe benötigt weder eine Barriere noch eine Spülflüssigkeit, die einen präzisen Elektrolyten oder ein Lösungsmittel verdünnen oder verunreinigen könnte.

● Dosiergenauigkeit — Magnetzahnradpumpen liefern einen reproduzierbaren, pulsationsfreien Volumenstrom für die Dosierung von Bindemitteln, Additiven und Elektrolyten.

● Lange Lebensdauer im Reinbetrieb — Da keine Dichtung getragen werden muss, sind weniger Eingriffe in Reinraum- und Trockenraumbereichen erforderlich, zu denen der Zugang beschränkt ist.

In einer Lithium-Batterie-Produktionslinie übernehmen dichtungslose Magnetkupplungspumpen die Förderung korrosiver und brennbarer Medien, Magnetkupplungszahnradpumpen die dosierte Zufuhr und Magnetkupplungs-Wirbelpumpen die Warm- und Kaltzirkulation. Damit kommt in den Bereichen Chemie, Dosierung und Wärmetechnik der Anlage eine einheitliche dichtungslose Plattform zum Einsatz.

10. Das Portfolio an Lithium-Batteriepumpen von Aulank

Wir liefern dichtungslose Pumpen für die Bereiche neue Energien und Batterieherstellung, die auf die jeweilige Anlage abgestimmt sind:

● AMC-F PTFE-ausgekleidete Magnetkupplungspumpe — mit Fluorpolymer ausgekleidet, dichtungslose Förderung von Elektrolyt und NMP-Lösungsmittel.

● AMC-L-Pumpe mit Magnetantrieb für chemische Prozesse — magnetischer Antrieb für chemische Prozesse zur Förderung von Lösungsmitteln und korrosiven Medien.

● MDC-M Mikro-Magnetzahnradpumpe / MDC-K-Magnetzahnradpumpe / MDC-X – mittelgroße bis große Magnetzahnradpumpe — pulsfreie, dosierte Zuführung und Weiterleitung von Elektrolyten, Bindemitteln und Additiven, vom Mikrostrom bis zum mittelgroßen Durchfluss.

● MDW-Edelstahl-Wirbelmagnetpumpe / MDH-Edelstahl-Wirbelpumpe mit Magnetantrieb — saubere Warm- und Kaltwasserzirkulation für die Mischerkühlung, Glykol im Trockenraum und beheizte Flüssigkeitskreisläufe.

● WRY-H-Hochtemperatur-Thermalölpumpe — Thermalölkreislauf für beheizte Walzen und Trocknungszonen.

Jede Pumpe wird nach einem dokumentierten Qualitätsprozess gefertigt und geprüft – ISO 9001, TÜV-CE-Zertifizierung für die magnetgetriebenen Wirbelpumpen, individuelle Prüfprotokolle zu den Parametern sowie über 50 Patente auf den synchronen Permanentmagnetantrieb und die abgeschirmte Wirbelhydraulik. Maßgeschneiderte Motoren, einschließlich spezieller Spannungs- und Frequenzwerte sowie der für eine Batterielinie erforderlichen Ex-Zulassungen, werden an die jeweilige Anwendung angepasst. Wir beliefern Kunden aus den Bereichen Batterie- und Neue-Energie-Technologie in ganz China, Deutschland und Asien. Senden Sie uns Ihre Anforderungen hinsichtlich Medium, Konzentration, Durchfluss, Genauigkeit und Bereichsklassifizierung, und wir unterbreiten Ihnen innerhalb von zwei Werktagen ein empfohlenes Produktportfolio mit Materialspezifikationen und Angeboten.

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Lassen Sie sich eine maßgeschneiderte Konfiguration für eine Lithium-Batteriepumpe erstellen

Ganz gleich, ob Sie eine Zellproduktionslinie in einer Gigafactory betreiben, als OEM Beschichtungs- und Elektrolytbefüllungssysteme bauen oder eine Pilot- und F&E-Anlage betreiben – unser Ingenieurteam findet für jede Fluidhandhabungsstation in Ihrer Anlage den passenden dichtungslosen Magnetantrieb, das passende Magnetgetriebe oder die passende Wirbelmagnetpumpe.

Sprechen Sie mit unserem Team: Kontakt Aulank | WhatsApp: +86 13773157367 | E-Mail: info@aulankpump.com

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