Nanomaterialien in der Batterieproduktion erfordern neue Strategien zur Staubbekämpfung

Nanomaterialien spielen eine immer wichtigere Rolle in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen). Doch Staubbekämpfungsmaßnahmen, die für größere Partikel entwickelt wurden, bieten möglicherweise keinen ausreichenden Schutz vor Submikron-Partikeln. Die Gestaltung von Staubsammelsystemen muss die einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften der in der Batterieproduktion verwendeten Nanomaterialien berücksichtigen.

Kleine Partikel, große Probleme

Nanomaterialien sind Partikel mit einer Größe von 1 bis 100 Nanometern oder weniger als 0,1 Mikrometer. In dieser Größenordnung weisen Materialien einzigartige Eigenschaften auf und stellen neue Herausforderungen dar. Insbesondere:

• Nanomaterialien bergen in der Regel ein größeres Gesundheits- und Sicherheitsrisiko als größere Partikel des gleichen Materials. Submikron-Partikel werden eher tief in die Lunge eingeatmet und können in das Blut und andere Körpersysteme gelangen – manchmal sogar die Blut-Hirn-Schranke überwinden. Kohlenstoff-Nanomaterialien, die in der Batterieherstellung verwendet werden, können sich ähnlich wie Asbestfasern verhalten und die Lunge schädigen.
• Kleinere Partikel erhöhen das Risiko von Bränden. Aufgrund ihres geringen Gewichts bleiben Nanomaterialien eher in der Luft schweben und sammeln sich in der Produktion in Wolken. Zudem haben sie eine größere Oberfläche, die in der Luft mit Sauerstoff reagiert und eine Verbrennungsreaktion aufrechterhalten kann.
• Nanomaterialien können aus nicht luftdichten Umgebungen entweichen und in entfernte Bereiche der Anlage gelangen. Dadurch entstehen Bedenken hinsichtlich der Kontamination von Produkten, wenn sie in verschiedenen Teilen der Produktionslinie landen. Die HVAC-Filterung entfernt Nanomaterialien nicht aus der Luft der Anlage.

Es ist auch wichtig zu beachten, dass Forschung und Vorschriften mit der Verbreitung von Nanomaterialien in der Batterieherstellung und anderen Branchen noch nicht vollständig Schritt gehalten haben. Die zulässigen Expositionsgrenzwerte (PELs) der OSHA für Materialien, die in der Batterieproduktion verwendet werden (wie Kobalt, Nickel, Silizium, Graphit und Magnesium oder Magnesiumoxid), wurden auf der Grundlage von Forschungsergebnissen zur herkömmlichen Partikelexposition festgelegt und spiegeln möglicherweise nicht die wahren Risiken einer Exposition gegenüber Nanomaterialien wider.

Gestaltung von Staubsammelsystemen für Nanomaterialien

Bei der Verwendung von Nanomaterialien in der Li-Ionen-Batterieproduktion müssen Hersteller auch ihre Staubsammelsysteme aktualisieren. Dabei sind mehrere Aspekte des Designs von Staubsammelsystemen im Umgang mit Nanomaterialien zu berücksichtigen:

• Gestaltung der Absaughaube: Bei der Arbeit mit Nanomaterialien ist es vorzuziehen, fugitive Stäube möglichst nahe an der Quelle einzufangen, ohne die Produktionsmaterialien zu stören. Wo immer möglich, sollten Anwendungen vollständig geschlossen sein, um Nanomaterialien einzudämmen. Anwendungen, die nicht vollständig geschlossen werden können, sollten eine enge Absaughaube haben, die das Material erfasst, bevor es in die breitere Anlage gelangen kann.
• Erfassungsgeschwindigkeiten: Die Erfassungsgeschwindigkeiten müssen sorgfältig kalibriert werden, wenn man mit Nanomaterialien arbeitet. Aufgrund ihres geringen Gewichts kann die für schwerere Materialien kalibrierte Luftströmung sowohl luftgetragenes als auch abgesetztes Material ansaugen. Die Erfassungsgeschwindigkeit muss hoch genug sein, um luftgetragene Partikel einzusaugen und die Ansammlung von Materialwolken in Gehäusen oder Leitungen zu verhindern, jedoch nicht so hoch, dass produktives Material aus den Produktionslinien gezogen wird.
• Filterauswahl: Standard-Staubkollektorpatronenfilter haben nicht die erforderliche Filtereffizienz, um Nanomaterialstaub aufzufangen. Möglicherweise sind ein Filter mit hoher Partikelabscheideeffizienz (High-Efficiency Particulate Air, HEPA) oder sogar ein Filter mit extrem geringer Partikelabscheideeffizienz (Ultra-Low Particulate Air, ULPA) erforderlich, um äußerst kleine Submikronmaterialien aufzufangen. Eine fortschreitende Filtrationsstrategie verwendet weniger effiziente (und kostengünstigere) Patronenfilter, um schwerere Materialien zu entfernen, gefolgt von einem hoch effizienten Nachfilter, um kleinere Partikel zu entfernen.
• Verwendung von Druckzonen: Positive und negative Druckzonen können verwendet werden, um winzige Nanomaterialien daran zu hindern, aus der Anlage zu entweichen oder andere Teile der Produktionslinie zu kontaminieren. Die Aufrechterhaltung von leichten Unterdruckzonen in Gehäusen oder Produktionsbereichen verhindert die Ausbreitung von Material in Bereiche mit höherem Druck.
• Brandschutz und Explosionsschutz: Da die meisten in der Batterieproduktion verwendeten Nanomaterialien eine hohe Energiedichte und ein potentielles Explosionsrisiko aufweisen, ist Brandschutz und Explosionsschutz im Staubsammelsystem unerlässlich. Das Staubsammelsystem bietet die meisten Elemente, die für eine Staubexplosion erforderlich sind: viel Luftströmung (Sauerstoff), eine Ansammlung brennbarer Materialien und die Einkapselung luftgetragener Materialien. Unter diesen Bedingungen kann bereits ein einziger Funke – möglicherweise durch einen Kurzschluss des Motors oder sogar durch die statische Aufladung innerhalb der Staubwolke – ein gefährliches thermisches Ereignis auslösen. Staubsammelsysteme für brennbare Nanomaterialien müssen mit einer nach NFPA zertifizierten Entflammungsunterdrückung ausgestattet sein, einschließlich Explosionsschutz, Isolationsventilen zur Begrenzung einer Druckwelle und einem Drehluftschleuse, um das gesammelte Material davon abzuhalten, wieder in die Filterkammer zu gelangen. Der Staubabscheider sollte auch über ein auf den jeweiligen Staubtyp abgestimmtes Brandschutzsystem verfügen, wie etwa ein Gaslöschsystem oder ein Brandschutzsystem der Klasse D für metallische Stäube.

Eine richtige Gestaltung und Planung des Staubsammelsystems wird den Batterieherstellern helfen, den Herausforderungen, die sich durch Nanomaterialien in Produktionsprozessen ergeben, zu begegnen. Der richtige Partner im Bereich der Ingenieurwissenschaften kann Hersteller dabei unterstützen, Menschen und Produktionsprozesse zu schützen, die Sicherheit und Qualität der Produkte zu gewährleisten und auf sich ändernde Vorschriften im Bereich der Nanomaterialien-Kontrolle zu reagieren.