Materiale catodico
Nella preparazione di materiali inorganici per elettrodi per batterie agli ioni di litio, la reazione allo stato solido ad alta temperatura è la più comunemente utilizzata. Reazione in fase solida ad alta temperatura: si riferisce al processo in cui i reagenti, comprese le sostanze in fase solida, reagiscono per un periodo di tempo a una certa temperatura e producono reazioni chimiche attraverso la diffusione reciproca tra vari elementi per produrre i composti più stabili a una certa temperatura, tra cui reazioni solido-solido, solido-gas e solido-liquido.
Anche se si utilizzano i metodi sol-gel, coprecipitazione, idrotermale e solvotermico, solitamente è richiesta una reazione in fase solida o una sinterizzazione in fase solida ad alta temperatura. Questo perché il principio di funzionamento delle batterie agli ioni di litio richiede che il materiale dell'elettrodo possa ripetutamente inserire e rimuovere Li+, quindi la sua struttura reticolare deve avere una stabilità sufficiente, il che richiede un'elevata cristallinità dei materiali attivi e una struttura cristallina regolare. Questo è difficile da ottenere in condizioni di bassa temperatura, quindi i materiali degli elettrodi delle batterie agli ioni di litio attualmente utilizzati si ottengono essenzialmente attraverso una reazione allo stato solido ad alta temperatura.
La linea di produzione per la lavorazione dei materiali catodici comprende principalmente un sistema di miscelazione, un sistema di sinterizzazione, un sistema di frantumazione, un sistema di lavaggio ad acqua (solo ad alto contenuto di nichel), un sistema di imballaggio, un sistema di trasporto della polvere e un sistema di controllo intelligente.
Quando si utilizza il processo di miscelazione a umido nella produzione di materiali catodici per batterie agli ioni di litio, si incontrano spesso problemi di essiccazione. I diversi solventi utilizzati nel processo di miscelazione a umido comportano processi e apparecchiature di essiccazione diversi. Attualmente, nel processo di miscelazione a umido vengono utilizzati principalmente due tipi di solventi: solventi non acquosi, ovvero solventi organici come etanolo, acetone, ecc.; solventi acquosi. Le apparecchiature di essiccazione per la miscelazione a umido dei materiali catodici delle batterie agli ioni di litio includono principalmente: essiccatore rotativo sotto vuoto, essiccatore a rastrello sotto vuoto, essiccatore a spruzzo, essiccatore a nastro sotto vuoto.
La produzione industriale di materiali catodici per batterie agli ioni di litio adotta solitamente un processo di sinterizzazione allo stato solido ad alta temperatura, il cui cuore e principale equipaggiamento è il forno di sinterizzazione. Le materie prime per la produzione di materiali catodici per batterie agli ioni di litio vengono miscelate ed essiccate uniformemente, quindi caricate nel forno per la sinterizzazione e quindi scaricate dal forno per il processo di frantumazione e classificazione. Per la produzione di materiali catodici, indicatori tecnici ed economici quali la temperatura di controllo, l'uniformità della temperatura, il controllo e l'uniformità dell'atmosfera, la continuità, la capacità produttiva, il consumo energetico e il grado di automazione del forno sono molto importanti. Attualmente, le principali attrezzature di sinterizzazione utilizzate nella produzione di materiali catodici sono il forno a spinta, il forno a rulli e il forno a campana.
◼ Il forno a rulli è un forno a tunnel di medie dimensioni con riscaldamento e sinterizzazione continui.
◼ In base all'atmosfera del forno, come il forno a spinta, anche il forno a rulli si divide in forno ad aria e forno ad atmosfera controllata.
- Forno ad aria: utilizzato principalmente per la sinterizzazione di materiali che richiedono un'atmosfera ossidante, come materiali al manganato di litio, materiali all'ossido di litio e cobalto, materiali ternari, ecc.;
- Forno ad atmosfera controllata: utilizzato principalmente per materiali ternari NCA, materiali al litio ferro fosfato (LFP), materiali anodici in grafite e altri materiali di sinterizzazione che necessitano di protezione tramite gas atmosferico (ad esempio N2 o O2).
◼ Il forno a rulli adotta il processo di attrito volvente, quindi la lunghezza del forno non sarà influenzata dalla forza di propulsione. Teoricamente, può essere infinita. Le caratteristiche della struttura della cavità del forno, la migliore uniformità durante la cottura dei prodotti e l'ampia struttura della cavità del forno favoriscono il movimento del flusso d'aria nel forno e il drenaggio e lo scarico della gomma dei prodotti. È l'attrezzatura preferita per sostituire il forno a spinta per realizzare una produzione su larga scala.
◼ Attualmente, l'ossido di litio e cobalto, il ternario, il manganato di litio e altri materiali catodici delle batterie agli ioni di litio vengono sinterizzati in un forno a rulli ad aria, mentre il fosfato di ferro e litio viene sinterizzato in un forno a rulli protetto da azoto e l'NCA viene sinterizzato in un forno a rulli protetto da ossigeno.
Materiale dell'elettrodo negativo
Le fasi principali del processo di base della grafite artificiale includono pretrattamento, pirolisi, macinazione a sfere, grafitizzazione (ovvero il trattamento termico, in modo che gli atomi di carbonio originariamente disordinati siano disposti in modo ordinato, e i collegamenti tecnici chiave), miscelazione, rivestimento, miscelazione, setacciatura, pesatura, confezionamento e stoccaggio. Tutte operazioni delicate e complesse.
◼ La granulazione si divide in processo di pirolisi e processo di setacciatura tramite macinazione a sfere.
Nel processo di pirolisi, il materiale intermedio 1 viene immesso nel reattore, l'aria nel reattore viene sostituita con N2, il reattore viene sigillato, il materiale viene riscaldato elettricamente secondo la curva di temperatura, il materiale viene agitato a 200 ~ 300 °C per 1 ~ 3 ore, quindi il materiale viene riscaldato a 400 ~ 500 °C, il materiale viene agitato per ottenere particelle di 10 ~ 20 mm, la temperatura viene abbassata e il materiale viene scaricato per ottenere il materiale intermedio 2. Nel processo di pirolisi vengono utilizzati due tipi di apparecchiature: il reattore verticale e l'apparecchiatura di granulazione continua, entrambe basate sullo stesso principio. Entrambe le apparecchiature si agitano o si muovono secondo una determinata curva di temperatura per modificare la composizione del materiale e le proprietà fisiche e chimiche nel reattore. La differenza è che il bollitore verticale è una modalità combinata di bollitore caldo e bollitore freddo. I componenti del materiale nel bollitore vengono modificati tramite agitazione secondo la curva di temperatura nel bollitore caldo. Al termine, il materiale viene immesso nel bollitore di raffreddamento per il raffreddamento e il bollitore caldo può essere alimentato. Le apparecchiature di granulazione continua realizzano un funzionamento continuo, con basso consumo energetico ed elevata produttività.
◼ La carbonizzazione e la grafitizzazione sono componenti indispensabili. Il forno di carbonizzazione carbonizza i materiali a temperature medie e basse. La temperatura del forno di carbonizzazione può raggiungere i 1600 gradi Celsius, il che soddisfa le esigenze di carbonizzazione. Il regolatore di temperatura intelligente ad alta precisione e il sistema di monitoraggio automatico PLC garantiscono un controllo accurato dei dati generati nel processo di carbonizzazione.
Il forno di grafitizzazione, che comprende forni orizzontali ad alta temperatura, a scarico inferiore, verticali, ecc., posiziona la grafite nella zona calda della grafite (ambiente contenente carbonio) per la sinterizzazione e la fusione; la temperatura durante questo periodo può raggiungere i 3200 ℃.
◼ Rivestimento
Il materiale intermedio 4 viene trasportato al silo tramite il sistema di trasporto automatico e il materiale viene automaticamente inserito nel contenitore di promezio dal manipolatore. Il sistema di trasporto automatico trasporta il contenitore di promezio al reattore continuo (forno a rulli) per il rivestimento. Il materiale intermedio 5 viene ottenuto (sotto protezione di azoto) riscaldando il materiale a 1150 °C secondo una curva di aumento della temperatura per 8-10 ore. Il processo di riscaldamento consiste nel riscaldare l'apparecchiatura elettricamente e il metodo di riscaldamento è indiretto. Il riscaldamento trasforma l'asfalto di alta qualità sulla superficie delle particelle di grafite in un rivestimento di carbonio pirolitico. Durante il processo di riscaldamento, le resine presenti nell'asfalto di alta qualità si condensano e la morfologia cristallina viene trasformata (dallo stato amorfo a quello cristallino). Sulla superficie delle particelle di grafite sferica naturale si forma uno strato ordinato di carbonio microcristallino e, infine, si ottiene un materiale rivestito simile alla grafite con una struttura "nucleo-guscio".