Material do cátodo
Na preparação de materiais de eletrodos inorgânicos para baterias de íons de lítio, a reação em estado sólido de alta temperatura é a mais comumente utilizada. Reação em fase sólida de alta temperatura: refere-se ao processo em que os reagentes, incluindo substâncias em fase sólida, reagem por um período de tempo a uma determinada temperatura e produzem reações químicas por meio da difusão mútua entre vários elementos para produzir os compostos mais estáveis a uma determinada temperatura, incluindo reações sólido-sólido, reações sólido-gás e reações sólido-líquido.
Mesmo que sejam utilizados os métodos sol-gel, coprecipitação, hidrotérmico e solvotérmico, geralmente é necessária a reação em fase sólida ou a sinterização em fase sólida a altas temperaturas. Isso ocorre porque o princípio de funcionamento das baterias de íons de lítio exige que o material do eletrodo possa inserir e remover Li+ repetidamente, de modo que sua estrutura reticular deve ter estabilidade suficiente, o que requer alta cristalinidade dos materiais ativos e regularidade da estrutura cristalina. Isso é difícil de ser alcançado em condições de baixa temperatura, portanto, os materiais do eletrodo das baterias de íons de lítio atualmente utilizados são basicamente obtidos por meio de reações em estado sólido a altas temperaturas.
A linha de produção de processamento de material catódico inclui principalmente sistema de mistura, sistema de sinterização, sistema de britagem, sistema de lavagem com água (somente alto níquel), sistema de embalagem, sistema de transporte de pó e sistema de controle inteligente.
Quando o processo de mistura úmida é utilizado na produção de materiais catódicos para baterias de íons de lítio, problemas de secagem são frequentemente encontrados. Diferentes solventes utilizados no processo de mistura úmida levam a diferentes processos e equipamentos de secagem. Atualmente, existem principalmente dois tipos de solventes utilizados no processo de mistura úmida: solventes não aquosos, ou seja, solventes orgânicos como etanol, acetona, etc.; e solventes aquosos. Os equipamentos de secagem para mistura úmida de materiais catódicos de baterias de íons de lítio incluem principalmente: secador rotativo a vácuo, secador de varredura a vácuo, secador por pulverização e secador de correia a vácuo.
A produção industrial de materiais catódicos para baterias de íons de lítio geralmente adota o processo de síntese por sinterização em estado sólido de alta temperatura, e seu principal equipamento é o forno de sinterização. As matérias-primas para a produção de materiais catódicos para baterias de íons de lítio são misturadas e secas uniformemente, carregadas no forno para sinterização e, em seguida, descarregadas do forno para o processo de britagem e classificação. Para a produção de materiais catódicos, indicadores técnicos e econômicos como temperatura de controle de temperatura, uniformidade de temperatura, controle e uniformidade da atmosfera, continuidade, capacidade de produção, consumo de energia e grau de automação do forno são muito importantes. Atualmente, os principais equipamentos de sinterização utilizados na produção de materiais catódicos são o forno empurrador, o forno de rolos e o forno de campânula.
◼ O forno de rolos é um forno de túnel de tamanho médio com aquecimento e sinterização contínuos.
◼ De acordo com a atmosfera do forno, assim como o forno empurrador, o forno de rolos também é dividido em forno de ar e forno de atmosfera.
- Forno de ar: usado principalmente para sinterizar materiais que requerem atmosfera oxidante, como materiais de manganato de lítio, materiais de óxido de cobalto e lítio, materiais ternários, etc.;
- Forno atmosférico: usado principalmente para materiais ternários NCA, materiais de fosfato de ferro-lítio (LFP), materiais de ânodo de grafite e outros materiais de sinterização que precisam de proteção de gás atmosférico (como N2 ou O2).
◼ O forno de rolos adota o processo de fricção de rolamento, de modo que o comprimento do forno não será afetado pela força de propulsão. Teoricamente, pode ser infinito. As características da estrutura da cavidade do forno, melhor consistência na queima dos produtos e a estrutura ampla da cavidade do forno são mais propícias ao movimento do fluxo de ar no forno e à drenagem e descarga de borracha dos produtos. É o equipamento preferido para substituir o forno empurrador para realmente realizar a produção em larga escala.
◼ Atualmente, o óxido de cobalto e lítio, o ternário, o manganato de lítio e outros materiais catódicos de baterias de íons de lítio são sinterizados em um forno de rolos de ar, enquanto o fosfato de ferro e lítio é sinterizado em um forno de rolos protegido por nitrogênio, e o NCA é sinterizado em um forno de rolos protegido por oxigênio.
Material de eletrodo negativo
As principais etapas do fluxo básico do processo de grafite artificial incluem pré-tratamento, pirólise, moagem por esferas, grafitização (ou seja, tratamento térmico para que os átomos de carbono originalmente desordenados sejam organizados ordenadamente, e os principais elos técnicos), mistura, revestimento, mistura, peneiramento, pesagem, embalagem e armazenagem. Todas as operações são refinadas e complexas.
◼ A granulação é dividida em processo de pirólise e processo de peneiramento por moagem de bolas.
No processo de pirólise, coloque o material intermediário 1 no reator, substitua o ar no reator por N2, sele o reator, aqueça-o eletricamente de acordo com a curva de temperatura, agite-o a 200 ~ 300 ℃ por 1 ~ 3 h e, em seguida, continue a aquecê-lo a 400 ~ 500 ℃, agite-o para obter material com tamanho de partícula de 10 ~ 20 mm, diminua a temperatura e descarregue-o para obter o material intermediário 2. Existem dois tipos de equipamentos usados no processo de pirólise, o reator vertical e o equipamento de granulação contínua, ambos com o mesmo princípio. Ambos agitam ou se movem sob uma determinada curva de temperatura para alterar a composição do material e as propriedades físicas e químicas no reator. A diferença é que a caldeira vertical é um modo combinado de caldeira quente e caldeira fria. Os componentes do material na caldeira são alterados pela agitação de acordo com a curva de temperatura na caldeira quente. Após a conclusão, ele é colocado na caldeira de resfriamento para resfriamento, e a caldeira quente pode ser alimentada. O equipamento de granulação contínua realiza operação contínua, com baixo consumo de energia e alto rendimento.
◼ A carbonização e a grafitização são partes indispensáveis. O forno de carbonização carboniza os materiais em temperaturas médias e baixas. A temperatura do forno pode atingir 1600 graus Celsius, o que atende às necessidades de carbonização. O controlador de temperatura inteligente de alta precisão e o sistema de monitoramento automático por CLP controlam com precisão os dados gerados no processo de carbonização.
O forno de grafitização, incluindo alta temperatura horizontal, descarga mais baixa, vertical, etc., coloca o grafite em uma zona quente de grafite (ambiente contendo carbono) para sinterização e fundição, e a temperatura durante esse período pode atingir 3.200 ℃.
◼ Revestimento
O material intermediário 4 é transportado para o silo através do sistema de transporte automático, e o material é automaticamente preenchido na caixa de promécio pelo manipulador. O sistema de transporte automático transporta a caixa de promécio para o reator contínuo (forno de rolos) para revestimento. Obtém-se o material intermediário 5 (sob a proteção de nitrogênio, o material é aquecido a 1150 ℃ de acordo com uma curva de elevação de temperatura específica por 8 a 10 horas). O processo de aquecimento consiste em aquecer o equipamento por meio de eletricidade, e o método de aquecimento é indireto. O aquecimento transforma o asfalto de alta qualidade na superfície das partículas de grafite em um revestimento de carbono pirolítico. Durante o processo de aquecimento, as resinas no asfalto de alta qualidade condensam e a morfologia cristalina é transformada (o estado amorfo é transformado em cristalino). Uma camada ordenada de carbono microcristalino é formada na superfície das partículas esféricas de grafite natural e, finalmente, um material revestido semelhante à grafite com uma estrutura "núcleo-casca" é obtido.