Katodin materiaali
Litiumioniakkujen epäorgaanisten elektrodimateriaalien valmistuksessa yleisimmin käytetty menetelmä on korkean lämpötilan kiinteän olomuodon reaktio. Korkean lämpötilan kiinteän faasin reaktio: tarkoittaa prosessia, jossa reagenssit, mukaan lukien kiinteän faasin aineet, reagoivat tietyn ajanjakson ajan tietyssä lämpötilassa ja tuottavat kemiallisia reaktioita eri alkuaineiden keskinäisen diffuusion kautta, jolloin muodostuu tietyssä lämpötilassa vakaimpia yhdisteitä. Näitä reaktioita ovat esimerkiksi kiinteä-kiinteä-reaktio, kiinteä-kaasu-reaktio ja kiinteä-neste-reaktio.
Vaikka käytettäisiin sol-geelimenetelmää, yhteissaostusmenetelmää, hydrotermistä menetelmää ja solvotermistä menetelmää, tarvitaan yleensä kiinteäfaasireaktiota tai kiinteäfaasisintrausta korkeassa lämpötilassa. Tämä johtuu siitä, että litiumioniakun toimintaperiaate edellyttää, että sen elektrodimateriaali voi toistuvasti lisätä ja poistaa li+-ioneja, joten sen hilarakenteen on oltava riittävän vakaa, mikä edellyttää aktiivisten materiaalien korkeaa kiteisyyttä ja säännöllistä kiderakennetta. Tätä on vaikea saavuttaa matalissa lämpötiloissa, joten tällä hetkellä käytössä olevien litiumioniakkujen elektrodimateriaalit saadaan pääasiassa korkean lämpötilan kiinteäfaasireaktiolla.
Katodimateriaalien käsittelylinja sisältää pääasiassa sekoitusjärjestelmän, sintrausjärjestelmän, murskausjärjestelmän, vesipesujärjestelmän (vain korkea nikkelipitoisuus), pakkausjärjestelmän, jauheen kuljetusjärjestelmän ja älykkään ohjausjärjestelmän.
Kun litiumioniakkujen katodimateriaalien valmistuksessa käytetään märkäsekoitusprosessia, kuivausongelmia esiintyy usein. Märkäsekoitusprosessissa käytettävät erilaiset liuottimet johtavat erilaisiin kuivausprosesseihin ja -laitteisiin. Tällä hetkellä märkäsekoitusprosessissa käytetään pääasiassa kahdenlaisia liuottimia: vedettömiä liuottimia, nimittäin orgaanisia liuottimia, kuten etanolia, asetonia jne.; ja vesiliuotinta. Litiumioniakkujen katodimateriaalien märkäsekoitukseen tarkoitettuihin kuivauslaitteisiin kuuluvat pääasiassa: tyhjiöpyörivä kuivausrumpu, tyhjiöharakuivausrumpu, sumutuskuivausrumpu ja tyhjiöhihnakuivausrumpu.
Litiumioniakkujen katodimateriaalien teollisessa tuotannossa käytetään yleensä korkean lämpötilan kiinteän olomuodon sintraussynteesiprosessia, ja sen ydin ja avainlaitteet ovat sintrausuuni. Litiumioniakkujen katodimateriaalien valmistuksessa käytettävät raaka-aineet sekoitetaan ja kuivataan tasaisesti, sitten ne ladataan sintrausuuniin ja puretaan uunista murskaus- ja lajitteluprosessiin. Katodimateriaalien tuotannossa uunin tekniset ja taloudelliset indikaattorit, kuten lämpötilan säätö, lämpötilan tasaisuus, ilmakehän säätö ja tasaisuus, jatkuvuus, tuotantokapasiteetti, energiankulutus ja automaatioaste, ovat erittäin tärkeitä. Tällä hetkellä katodimateriaalien tuotannossa käytetyt tärkeimmät sintrausuunit ovat työntöuuni, valssiuuni ja kellopurkkiuuni.
◼ Valssiuuni on keskikokoinen tunneliuuni, jossa on jatkuva lämmitys ja sintraus.
◼ Uunin ilmakehän mukaan, kuten työntöuuni, myös valssiuuni jaetaan ilmauuniin ja atmosfääriuuniin.
- Ilmauuni: käytetään pääasiassa hapettavaa ilmakehää vaativien materiaalien, kuten litiummanganaattimateriaalien, litiumkobolttioksidimateriaalien, kolmikomponenttimateriaalien jne. sintraukseen;
- Ilmakehäuuni: käytetään pääasiassa NCA-kolmikomponenttimateriaaleille, litiumrautafosfaattimateriaaleille (LFP), grafiittianodimateriaaleille ja muille sintrausmateriaaleille, jotka tarvitsevat ilmakehän (kuten N2- tai O2-) kaasusuojausta.
◼ Valssiuunissa käytetään vierintäkitkamenetelmää, joten työntövoima ei vaikuta uunin pituuteen. Teoriassa se voi olla ääretön. Uunin ontelon rakenteen ominaisuudet, parempi tasaisuus tuotteita poltettaessa, ja suuri uunin ontelon rakenne edistävät ilmavirran liikkumista uunissa sekä tuotteiden tyhjentymistä ja kuminpoistoa. Se on ensisijainen laite työntöuunin korvaamiseksi, jotta voidaan todella toteuttaa laajamittaista tuotantoa.
◼ Tällä hetkellä litiumkobolttioksidi, kolmikomponentti, litiummanganaatti ja muut litiumioniakkujen katodimateriaalit sintrataan ilmavalssauunissa, kun taas litiumrautafosfaatti sintrataan typellä suojatussa valssauunissa ja NCA sintrataan hapella suojatussa valssauunissa.
Negatiivisen elektrodin materiaali
Keinotekoisen grafiitin perusprosessivirran päävaiheisiin kuuluvat esikäsittely, pyrolyysi, jauhatuspallo, grafitointi (eli lämpökäsittely, jolla alun perin epäjärjestyneet hiiliatomit järjestetään siististi ja keskeiset tekniset linkit), sekoittaminen, pinnoitus, sekoitusseulonta, punnitus, pakkaaminen ja varastointi. Kaikki toiminnot ovat hienovaraisia ja monimutkaisia.
◼ Rakeistus jaetaan pyrolyysiprosessiin ja kuulamyllyseulontaprosessiin.
Pyrolyysiprosessissa välituote 1 laitetaan reaktoriin, reaktorin ilma korvataan N2:lla, reaktori suljetaan, sitä lämmitetään sähköisesti lämpötilakäyrän mukaisesti, sekoitetaan 200–300 ℃:ssa 1–3 tuntia ja jatketaan sitten lämmittämistä 400–500 ℃:seen, sekoitetaan, kunnes hiukkaskoko on 10–20 mm, lämpötila lasketaan ja se poistetaan, jolloin saadaan välituote 2. Pyrolyysiprosessissa käytetään kahdenlaisia laitteita: pystyreaktoria ja jatkuvatoimista rakeistuslaitteistoa, joilla molemmilla on sama periaate. Molemmat sekoitetaan tai liikutetaan tietyn lämpötilakäyrän mukaisesti muuttaakseen materiaalin koostumusta ja fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia reaktorissa. Ero on siinä, että pystyreaktori on kuuman ja kylmän reaktorin yhdistelmä. Kattilan materiaalikomponentit muuttuvat sekoittamalla kuuman reaktorin lämpötilakäyrän mukaisesti. Kun prosessi on valmis, se laitetaan jäähdytyskattilaan jäähdytettäväksi, ja kuumaa reaktoria voidaan syöttää. Jatkuvatoimiset rakeistuslaitteet mahdollistavat jatkuvan toiminnan, alhaisen energiankulutuksen ja suuren tehon.
◼ Hiilistäminen ja grafitointi ovat välttämättömiä osia. Hiilisytysuuni hiilentää materiaaleja keski- ja matalissa lämpötiloissa. Hiilisytysuunin lämpötila voi nousta 1600 celsiusasteeseen, mikä täyttää hiilestystarpeet. Älykäs lämpötilansäädin ja automaattinen PLC-valvontajärjestelmä mahdollistavat hiiletysprosessissa tuotettujen tietojen tarkan hallinnan.
Grafitointiuunit, mukaan lukien vaakasuorat korkean lämpötilan, matalapainepurkaukset ja pystysuorat uunit, sijoittavat grafiitin grafiittikuumaan vyöhykkeeseen (hiiltä sisältävään ympäristöön) sintrausta ja sulatusta varten, ja lämpötila tänä aikana voi nousta 3200 ℃:een.
◼ Pinnoite
Välituotemateriaali 4 kuljetetaan siiloon automaattisen kuljetusjärjestelmän kautta, ja manipulaattori täyttää materiaalin automaattisesti prometium-laatikkoon. Automaattinen kuljetusjärjestelmä kuljettaa prometium-laatikon jatkuvatoimiseen reaktoriin (valssiuuniin) pinnoitusta varten. Saadaan välituotemateriaali 5 (typen suojassa, materiaali kuumennetaan 1150 ℃:een tietyn lämpötilannousukäyrän mukaisesti 8–10 tunnin ajan). Lämmitysprosessissa laitteisto lämmitetään sähköllä, ja lämmitysmenetelmä on epäsuora. Lämmitys muuttaa grafiittihiukkasten pinnalla olevan korkealaatuisen asfaltin pyrolyyttiseksi hiilipinnoitteeksi. Lämmitysprosessin aikana korkealaatuisen asfaltin hartsit tiivistyvät ja kidemorfologia muuttuu (amorfinen tila muuttuu kiteiseksi). Luonnollisten pallomaisten grafiittihiukkasten pinnalle muodostuu järjestäytynyt mikrokiteinen hiilikerros, ja lopulta saadaan pinnoitettu grafiittimainen materiaali, jolla on "ydin-kuori"-rakenne.