Hochdurchsatzproduktion von metallischen Nanopulvern
Die Entwicklung von nanostrukturierten Werkstoffen mit einzigartigen Eigenschaften hat die Tür zu praktisch unbegrenzten Einsatzmöglichkeiten aufgestoßen, doch noch verhindern fehlende industrielle Verarbeitungstechniken eine Marktdurchdringung. Um diese Herausforderung zu meistern, wurde das EU-finanzierte Projekt SIMBA gestartet. Der Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Entwicklung einer großtechnischen Produktionslinie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP). Eine Umstellung der konventionellen ICP-Batch-Verarbeitung auf eine kontinuierliche Arbeitsweise soll einen höheren Durchsatz und damit höhere Ausbeuten ermöglichen. Online-Monitoring-Systeme gewährleisten eine sichere Produktion von gut kontrollierten Nanopartikeln hoher Qualität. Das System wird verwendet, um große Mengen Silizium- (Si) und siliziumbasierter Nanopartikel hoher Qualität für die Herstellung von neuartigen Anodenmaterialien für Lithium-Ionen- (Li-Ionen-) Batterien zu liefern. Zwei Partner betreiben Plasmabearbeitungsanlagen, eine im Labormaßstab und eine im industriellen Maßstab. Im Rahmen von SIMBA wird an einer signifikanten Steigerung der Ausbeute durch Optimieren der Verarbeitungsbedingungen und der Reaktorgestaltung gearbeitet. Eine Kombination von empirischen Messverfahren und Modellierungen führte zur Festlegung eines Prozessprotokolls, während die Produktion von Nanopartikeln die Beurteilung der Auswirkungen der Prozessparameter auf die Partikelgröße ermöglichte. Außerdem waren die Modelle bei der Entwicklung neuer Reaktorgeometrien für eine optimale Verdampfungswirkung und ein minimales Haften der Nanopulver an den Wänden der Reaktionskammer hilfreich. Ein wesentlicher Teil von SIMBA ist der Gesundheit, Sicherheit und Umwelt gewidmet. Die Emissionen von Nano- und Mikro-Si in den Arbeitsraum waren gering und im Allgemeinen Begleiterscheinungen von Störfällen. Im Rahmen von SIMBA wurde die Systemsicherheit verbessert, und zwar durch die Entwicklung von innovativen Hochdruck-Begrenzungsventilen für die staubhaltige Gasatmosphäre der geschlossenen Pulverbehälter. Eine prozessgekoppelte Überwachung und Kontrolle ist unverzichtbar. Nun arbeiten die Wissenschaftler an einem neuartigen optischen Sensor zur Überwachung der Einspeiserate des pulvrigen Vorprodukts sowie an der Testung eines optischen Systems zur Messung der Partikelgröße während der Partikelerzeugung. Letzteres soll auf die Erzeugung von nass dispergierten Nanopartikeln ebenso wie von gasgetragenen Nanopartikeln anwendbar sein, wodurch seine Marktgängigkeit verbessert wird. Gegenwärtig arbeitet man an einer Optimierung des hochskalierten Verfahrens, um die Ausbeute an Si-Pulver zu erhöhen und gleichzeitig die Verluste durch ein Haften an der Wand zu minimieren. Es wird erwartet, dass demnächst wichtige Durchbrüche bei der industriellen Pulverinjektion, bei einem neuartigen Online-Monitoring, und bei der Funktionalisierung für die sichere Produktion großer Mengen Si- und siliziumbasierter Nanopartikel hoher Qualität erzielt werden.
