Schlüsseltechnologie für
eine nachhaltige Energie- und
Mobilitätswende
CNT Produktion -
Dispersion von Carbon Nanotubes
Batterien mit CNT (Carbon Nanotubes bzw. Kohlenstoffnanoröhren) spielen eine wichtige Rolle auf dem Weg hin zu einer klimaneutralen (Elektro-)Mobilität und einer Energiewende. Der Einsatz von Carbon Nanotubes verbessert die Leistungsfähigkeit von Batterien und ermöglicht leistungsstarke Energiespeicher, die den Ausbau erneuerbarer Energien unterstützen und den Wandel zu einer nachhaltigen Zukunft fördern. Sie bieten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien eine um bis zu 15 % höhere Speicherkapazität und verkürzen signifikant die Ladezeiten. Das führt zu geringeren Kosten, höherer Effizienz und minimiertem Energieverbrauch.
Die Dispersion von Carbon Nanotubes ist ein wichtiger Produktionsschritt, um sie gleichmäßig in einem flüssigen oder viskosen Medium zu verteilen. Carbon Nano Tubes neigen aufgrund starker Van-der-Waals-Kräfte dazu, sich zu Bündeln oder Agglomeraten zusammenzulagern. Für viele Anwendungen, wie zur Batterieherstellung, ist jedoch eine möglichst homogene Verteilung erforderlich, damit die besonderen Eigenschaften der Nanoröhren – etwa elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit – optimal genutzt werden können.
Für diesen Homogenisierprozess haben wir bei Hammelmann eine zukunftsweisende Hochdrucklösung auf Grundlage unserer HAMPRO® Prozesspumpen entwickelt, die eine effektive und sichere Dispersion von CNT ermöglicht.
Vorteile der Hochdruckhomogenisierung für die CNT-Verarbeitung
Jeder Aspekt der Hochdruckhomogenisierung ist exakt auf die Anforderungen bei der CNT-Dispersion abgestimmt. Diese technische Präzision von HAMPRO® Prozesspumpen zahlt sich aus.
Maximale Leitfähigkeit
Ein homogen verteiltes CNT-Netzwerk sorgt für optimalen Elektronentransport innerhalb der Elektrode
Mechanische Integrität
Gleichmäßig dispergierte Nanoröhren verhindern Schwachstellen und erhöhen die Lebensdauer der Elektrodenstruktur
Reproduzierbare Qualität
Gleichbleibende Scherbedingungen gewährleisten Charge für Charge identische Ergebnisse, unabhängig von Druck, Temperatur oder Durchlaufzahl
Flexible Prozessanpassung
Der weite Druckbereich von 500 bis 1500 bar ermöglicht die präzise Abstimmung auf unterschiedlichste CNT-Typen, Feststoffgehalte und Prozessanforderungen
Zuverlässige Technik im Dauerbetrieb
Die robuste Plungerpumpentechnologie ist auf hohe Standzeiten und minimalen Verschleiß ausgelegt und gewährleistet so einen stabilen, störungsarmen Prozessablauf auch im kontinuierlichen industriellen Einsatz
Hohe Prozesssicherheit
Konstant hohe Drücke ohne Schwankungen minimieren Ausfallrisiken und sichern gleichbleibende Produktqualität über den gesamten Produktionszyklus
HAMPRO® 800
Homogenisier-Pumpe zur CNT Dispersion
So funktioniert
Hochdruckhomogenisierung für die CNT-Verarbeitung
Präzise Desagglomeration im Ventilspalt
Plungerpumpen von Hammelmann pressen in Kombination mit Hochdruck-Homogenisierungsventilen die CNT-Suspension mit 500 bis 1500 bar durch einen präzise konstruierten, schmalen Ventilspalt. Die dort entstehenden Scherkräfte brechen selbst hartnäckige Agglomerate in eine feine Dispersion mit Partikelgrößen von d90 <1 μm auf – bei vollständigem Erhalt der Nanoröhrenstruktur. So entsteht die Basis für ein durchgängiges, leitfähiges CNT-Netzwerk in der Batterie-Elektrode.
Maximale Prozesskontrolle: Reproduzierbar, skalierbar, flexibel
Der Ventilspalt sorgt für gleichbleibende Scherbedingungen und damit für Charge-für-Charge identische Ergebnisse, unabhängig von Druck, Temperatur oder Durchlaufzahl. Dieser reproduzierbare, kontinuierliche Prozess lässt sich verlässlich vom Labormaßstab bis zur industriellen Fertigung skalieren. Der weite Druckbereich ermöglicht zusätzlich die flexible Anpassung an unterschiedliche CNT-Typen und Prozessanforderungen.
Robustheit im Dauerbetrieb: Standzeit und Prozesssicherheit
Unsere Plungerpumpentechnologie ist auf hohe Standzeiten und minimalen Verschleiß ausgelegt. Ein Barrierefluid-Dichtungssystem schützt vor dem abrasiven Zusammenspiel aus NMP und CNT-Partikeln und sichert so einen stabilen, störungsarmen Betrieb. Konstant hohe Drücke ohne Schwankungen minimieren Ausfallrisiken und sorgen für gleichbleibende Produktqualität – ein entscheidender Hebel für Batteriehersteller, um elektrochemische Leistung und Prozesssicherheit nachhaltig zu verbessern.
Um bis zu 95% weniger Verschleiß durch innovative Dichtungstechnologie
CNT-Suspensionen sind äußerst abrasiv und können zu erheblichem Verschleiß an Dichtungen führen. Um dem Verschleiß entgegenzuwirken, haben wir bei Hammelmann eine spezielle Dichtung entwickelt.
Dabei wird ein aus NMP oder Wasser bestehendes Barriere-Medium in die dynamische Labyrinthdichtung eingespritzt. Die abrasiven Stoffe bleiben von der Hochdruckdichtung getrennt und verringern die Gefahr einer Beschädigung der Dichtungstechnik.
Dieses Dichtsystem verlängert die Lebensdauer der Dichtungen drastisch – von einigen hundert Stunden auf mehr als 4.000 oder sogar bis zu 8.000 Betriebsstunden, je nach CNT-Typ und Barriere-Medium.
So funktioniert eine CNT-Pumpe
Häufige Fragen (FAQ)
Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) sind zylindrische Nanostrukturen, die vollständig aus Kohlenstoff bestehen. Sie zeichnen sich durch ihre außergewöhnliche mechanische Festigkeit, ihre hervorragende elektrische Leitfähigkeit und ihre hohe Wärmeleitfähigkeit aus. CNTs werden in einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) mit Durchmessern von etwa 0,5–2 Nanometern und mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) unterteilt, die aus mehreren konzentrischen Kohlenstoffröhren bestehen.
Aufgrund von Van-der-Waals-Kräften neigen CNTs von Natur aus zur Agglomeration, was ihre Dispersion erschwert. Sind sie jedoch einmal homogen verteilt, bilden sie leitfähige Netzwerke. Dies macht sie für eine Vielzahl von Anwendungen attraktiv, darunter Verbundwerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt, Elektronik, Sportausrüstung und insbesondere für Energiespeichersysteme wie Lithium-Ionen-Batterien. Da CNTs extrem stabile Agglomerate (50–100 μm) bilden, müssen sie mittels Hochdruckhomogenisierung auf eine Größe von unter 1 μm dispergiert werden, um ein gleichmäßiges, dreidimensionales leitfähiges Netzwerk zu erzeugen.
Lithium-Ionen-Batterien sind das Rückgrat der modernen Elektromobilität und der stationären Energiespeicherung. Zu ihren Vorteilen zählen eine hohe Energiedichte, eine lange Zyklenlebensdauer und die Fähigkeit, schnell wieder aufgeladen zu werden. CNTs werden in Batterieelektroden eingesetzt, um die elektrische Leitfähigkeit und die mechanische Stabilität zu verbessern.
In Anoden auf Graphitbasis verbessern CNTs den Elektronentransport und ermöglichen eine höhere Elektrodenbeladung. In Anoden auf Siliziumbasis sind CNTs sogar noch wichtiger: Silizium kann bis zu zehnmal mehr Lithium speichern als Graphit, leidet jedoch unter einer starken Volumenausdehnung während des Ladevorgangs. CNTs bilden ein flexibles und leitfähiges Gerüst um die Siliziumpartikel herum, das diese Ausdehnung abfedert und Rissbildung verhindert. Dies führt zu einer höheren Energiedichte, schnellerem Laden und einer längeren Lebensdauer.
Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien mit CNT-verstärkten Elektroden auf einen Blick:
- Bis zu 15 % höhere Energiespeicherkapazität
- Schnellere Ladefähigkeit
- Erhöhte mechanische Stabilität der Elektrodenschicht
- Längere Zyklenlebensdauer und höhere Effizienz
- Geringerer Materialverbrauch bei gleicher Leistung
- Reduzierung der weltweiten CO₂-Emissionen
Bei der Perlenmahlung werden Kohlenstoffnanoröhren-Agglomerate durch mechanische Stöße zwischen Mahlperlen aufgebrochen. Da die Röhrchen dabei aus allen Richtungen beansprucht werden, kommt es häufig zu Abflachung, Verkürzung oder struktureller Beschädigung. Zusätzlich können in der Mahlkammer lokale Wärmeherde entstehen, die Rheologie und empfindliche Additive beeinträchtigen. Da sich die Prozessparameter nur schwer präzise steuern lassen, schwanken die Ergebnisse merklich zwischen einzelnen Chargen – und die Skalierung auf industrielle Durchsatzmengen ist durch Energieeinsatz, Verschleiß und lange Zykluszeiten begrenzt.
Bei der Hochdruckhomogenisierung entstehen die Scherkräfte dagegen berührungslos in einem präzise konstruierten Ventilspalt: Ventilkegel und Ventilsitz liegen in geschlossener Position sehr nah beieinander, im Betrieb öffnet die unter Druck stehende Flüssigkeit nur einen schmalen Spalt. Diese extrem enge Passage erzeugt eine deutlich höhere und gleichmäßigere Scherintensität als Rotor-Stator- oder Perlenmahlsysteme, während die CNT-Struktur intakt bleibt. Da sich Druck, Temperatur und Zyklenzahl mit hoher Genauigkeit einstellen lassen, entsteht ein reproduzierbarer, kontinuierlicher Prozess, der auch bei hohem industriellem Durchsatz stabil bleibt.
Damit eignet sich die Hochdruckhomogenisierung mit der Hammelmann-Technologie besonders gut für die CNT-Dispersion in Lithium-Ionen-Batterieanwendungen: Sie bewahrt die inhärente Struktur der Nanoröhren, liefert stabile Partikelgrößen unter 1 μm und ermöglicht eine reproduzierbare Verarbeitung im industriellen Maßstab – die Grundlage für ein durchgängiges, leitfähiges CNT-Netzwerk und damit für hohe elektrische Leitfähigkeit und Batterieleistung.