Akkuvalmistajan kannattaa panostaa pH-säätöön

Teksti Markus Hartikainen, Sweco
Kuva Istockphoto

Hyvin suunniteltu mittausprosessi sekä niihin sopiva laitteisto säästää aikaa ja rahaa. Haastavat prosessiolosuhteet vaativat tarkkaan suunniteltuja laitevalintoja. Kaiken tämän hallinta vaatii kokonaisvaltaista akkukemikaalien valmistusprosessin tuntemusta.

Akkutehtaan katodimateriaalin kiteytyminen vaatii korkeaa ja tasaista pH-arvoa. Nykyiset pH-anturit eivät alun perin ole kehitetty litiumakkujen katodimateriaalin valmistusprosessille, joten laitevalintaan tulee kiinnittää erityistä huomiota. Prosessiaineessa olevat kiteet sekä tahmaisuus luovat haasteita ylläpito- ja käyttöorganisaatiolle.
Instrumentoinnin prosessiyhteet pH-mittauksille säiliöihin, laitteisiin ja putkiin täytyy alusta asti suunnitella ja valmistaa markkinoilla olemassa olevien laitteiden ehdoilla, koska instrumenttitoimittajien tekemät räätälöinnit heidän valmiisiin tuotteisiinsa tulevat kalliiksi. Myös mahdollisia prosessiyhteisiin tarvittavia jälkikäteen tehtäviä muutoksia esimerkiksi asennusten aikana halutaan välttää, jotta urakointikustannukset eivät nouse pilviin eivätkä laitetoimittajien takuut raukea.

Onko kokonaisuus hallussa?
Litiumioniakkujen katodimateriaali koostuu esimerkiksi metallisulfaattiliuoksista, natriumaluminaatista, natriumhydroksidista, ammoniakista, litiumista sekä mahdollisista muista lisäaineista kuten boorihaposta. Katodimateriaalin raaka-aineista (ns. prekursorit) sekoitetaan liuokset, jotka johdetaan kemikaalitankkeihin.
Kemikaalitankeista liuokset johdetaan tarkasti säädeltyinä juuri oikeassa lämpötilassa, paineessa ja pH-arvossa kiteyttimiin. Akkutehtaan katodimateriaalin kiteytyminen vaatii korkeaa ja tasaista pH-arvoa (esimerkiksi noin pH 11–12,5 – pH 0,15 tarkkuudella).
Seuraavaksi kiteet erotellaan nesteestä ajamalla neste esimerkiksi vakuuminauhasuodattimien läpi. Jäljelle jäänyt kakku kuivataan ja kalsinoidaan sekä sekoitetaan litiumin ja muiden lisäaineiden kanssa. Valmis katodimateriaali säkitetään akkukennojen valmistuslinjoja varten. Akkukennojen valmistuslinjat ovatkin sitten jo lähempänä kappaletavara-automaatiota kuin prosessiautomaatiota.

Uudenlaista osaamista pH-mittauksiin
Akkuteollisuushankkeet ovat maailmalla aika uusia ja nykyiset pH-anturit eivät välttämättä sellaisenaan sovellu uuteen aluevaltaukseen. Nesteessä olevat kiteet sekä prosessinesteen tahmaisuus luovat haasteita käytettävien pH-mittausten suunnittelulle ja käytölle.
Eri anturimalleja ja kokoonpanoja on pitänyt testata laboratoriossa tai pilottilaitoksilla ennen lopullista pH-anturivalintaa, jotta anturit ovat varmasti sopivia käytössä. Asiantuntijoiden kokemuksia kannattaa kuunnella!
Lasikalvoelektrodi on edelleen käytetyin pH-anturi, sen sanotaan kestävän pisimpään sekä niiden mittapoikkeaman olevan pienin ja mittausalueen suurin. Se mittaa potentiaalieroa millivoltteina mittauselektrodin ja referenssielektrodin välillä. Mittaus- ja referenssielektrodi valitaan prosessiolosuhteiden perusteella, kuten lämpötila, väliaine, paine, pH tai virtaus.
Prosessin lämpötila on suurin vaikuttava tekijä lasikalvoelektrodin kestoon. Jos prosessilämpötila on 100 °C, voi elektrodin kesto olla vain 3 kuukautta. Mikäli prosessi on 70–80 °C, kesto voi olla jopa vuoden. Myös pH-arvo (etenkin korkea pH-arvo) vaikuttaa elektrodin ikääntymisnopeuteen. Muita kestoon vaikuttavia tekijöitä ovat muun muassa prosessin virtausnopeus sekä mahdolliset kiintopartikkelit prosessissa. 
Lasikalvoelektrodin lisäksi toinen yleinen pH-anturityyppi on ISFET (Ion-Sensitive Field Effect Transistor). ISFET-antureita kehitettiin erityisesti elintarvike- ja juomateollisuuden tarpeisiin, jotta riski lasin joutumisesta prosessiin minimoituisi. ISFET-antureiden mitta-alue on kuitenkin kapeampi kuin lasikalvoelektrodeilla, noin pH 0–10. Lisäksi ISFET elektrodi ei kestä toistuvia pesusyklejä yhtä hyvin kuin lasikalvoelektrodit.

Kalibrointi ja puhdistus prosessilaadun varmistamiseksi
Katodimateriaalien tarttuvuuden ja korkean pH-arvon vuoksi pH-antureiden pesua voidaan joutua suorittamaan jopa muutaman tunnin välein, kalibrointia muutaman päivän välein. Prosessilaitteistoa suunnitellessa on huomattava, että pH-anturi, joka on varustettu automaattipesulla ja -kalibroinnilla, tarvitsee enemmän tilaa ja on myös kalliimpi.
Säiliö- ja putkiyhteissä tulee muistaa lasikalvoelektrodien asennuskulma, joka on vähintään 15° putken tai säiliön sivussa, jotta elektrodin sisällä oleva lämpölaajenemisilmakupla ei häiritse mittausta. ISFET-anturit voidaan asentaa myös vaakasuoraan asentoon.
Ennen prosessiyhteiden valmistusta hankittavan anturin pituudet täytyy tarkistaa valmistajalta. Kaulaputkeen jäävä elektrodi ei voi havaita putkessa tai säiliössä olevaa pH-arvoa, mikäli aineen sekoitusta ei tapahdu riittävästi.
Manuaaliset pH-anturit prosessiin asennettuna, esimerkiksi erillisen huoltoventtiilin läpi, on hyvä ja edullinen vaihtoehto, mikäli prosessiarvot ja virtaava aine sen sallivat, eli anturin pesu- ja kalibrointitiheys ei ole liian tiheä käytettävissä oleviin kunnossapitoresursseihin nähden. Mikäli mittalaitteet pestään ja kalibroidaan manuaalisesti, on työturvallisuuteen syövyttävien tai myrkyllisten kemikaalien kanssa kiinnitettävä aivan eri tavalla huomiota verrattuna mittalaitteiden automaattiseen pesuun ja kalibrointiin.
Sweco on ollut mukana suunnittelemassa, rakentamassa ja käyttöönottamassa useita akkuteollisuuden laitoksia. Asiantuntijoidemme tietämys akkuteollisuuden prosesseista ja niihin soveltuvasta laitteistosta on huippuluokkaa. Tunnemme hyvin alan toimijat ja laitetoimittajat. Meitä voi lähestyä niin yksittäisten laitevalintojen osalta kuin koko laitoksen EPCM-projektin hallinnan osalta.

Muutamia esimerkkejä pH-mittalaitetyypeistä akkuteollisuudessa:

• prosessista ulos vedettävä malli (retractable; mahdollistaa anturin automaattisen pesun ja kalibroinnin prosessin ulkopuolella)
• yläpuolelta asennettavat mallit (säiliön yläpuolelta asennettava esim. laipalla; avoimiin altaisiin ns. upotettava malli, joihin saa halutessaan automaattisen pesutoiminnon mutta ei automaattista kalibrointia)
• ohivirtauskammiot (putkesta tai säiliöstä viedään ohuella mittaputkella/-letkulla näyte analysaattorille)