Kathodemateriaal
Bij de bereiding van anorganische elektrodematerialen voor lithiumionbatterijen wordt de vaste-fasereactie bij hoge temperatuur het meest gebruikt. Vaste-fasereactie bij hoge temperatuur: verwijst naar het proces waarbij de reactanten, waaronder vaste-fasestoffen, gedurende een bepaalde tijd bij een bepaalde temperatuur reageren en chemische reacties veroorzaken door onderlinge diffusie tussen verschillende elementen. Dit resulteert in de meest stabiele verbindingen bij een bepaalde temperatuur, waaronder een vast-vaste-reactie, een vast-gasreactie en een vast-vloeistofreactie.
Zelfs als de sol-gelmethode, coprecipitatiemethode, hydrothermische methode en solvothermische methode worden gebruikt, is meestal een vastefasereactie of vastefasesintering bij hoge temperatuur vereist. Dit komt doordat het werkingsprincipe van lithium-ionbatterijen vereist dat het elektrodemateriaal herhaaldelijk li+ kan inbrengen en verwijderen. De roosterstructuur moet dus voldoende stabiel zijn, wat vereist dat de kristalliniteit van de actieve materialen hoog is en de kristalstructuur regelmatig. Dit is moeilijk te bereiken bij lage temperaturen, dus de elektrodematerialen van lithium-ionbatterijen die momenteel worden gebruikt, worden in principe verkregen door een vastefasereactie bij hoge temperatuur.
De productielijn voor de verwerking van kathodemateriaal omvat hoofdzakelijk een mengsysteem, een sintersysteem, een breeksysteem, een waterwassysteem (alleen met een hoog nikkelgehalte), een verpakkingssysteem, een poedertransportsysteem en een intelligent besturingssysteem.
Bij de productie van kathodematerialen voor lithium-ionbatterijen treden vaak droogproblemen op bij gebruik van nat mengproces. Verschillende oplosmiddelen die in het nat mengproces worden gebruikt, leiden tot verschillende droogprocessen en -apparatuur. Momenteel worden er hoofdzakelijk twee soorten oplosmiddelen gebruikt in het nat mengproces: niet-waterige oplosmiddelen, namelijk organische oplosmiddelen zoals ethanol en aceton, en water als oplosmiddel. De droogapparatuur voor het nat mengen van kathodematerialen voor lithium-ionbatterijen omvat voornamelijk: vacuümrotatiedrogers, vacuümharkdrogers, sproeidrogers en vacuümbanddrogers.
De industriële productie van kathodematerialen voor lithium-ionbatterijen maakt doorgaans gebruik van een syntheseproces met vaste-stofsintering op hoge temperatuur, en de belangrijkste apparatuur is een sinteroven. De grondstoffen voor de productie van kathodematerialen voor lithium-ionbatterijen worden gelijkmatig gemengd en gedroogd, vervolgens in de oven geladen om te sinteren en vervolgens uit de oven gehaald voor het breek- en classificatieproces. Voor de productie van kathodematerialen zijn technische en economische indicatoren zoals temperatuurregeling, temperatuuruniformiteit, atmosfeerregeling en -uniformiteit, continuïteit, productiecapaciteit, energieverbruik en automatiseringsgraad van de oven van groot belang. De belangrijkste sinterapparatuur die momenteel wordt gebruikt voor de productie van kathodematerialen zijn de duwoven, de roloven en de stolpoven.
◼ Een walsoven is een middelgrote tunneloven met continue verhitting en sintering.
◼ Afhankelijk van de ovenatmosfeer wordt de roloven, net als de duwoven, onderverdeeld in luchtovens en atmosfeerovens.
- Lucht oven: voornamelijk gebruikt voor het sinteren van materialen die een oxiderende atmosfeer vereisen, zoals lithiummangaanmaterialen, lithiumkobaltoxidematerialen, ternaire materialen, enz.;
- Atmosferische oven: wordt voornamelijk gebruikt voor NCA-ternaire materialen, lithium-ijzerfosfaat (LFP)-materialen, grafiet-anodematerialen en andere sintermaterialen die bescherming tegen atmosferisch gas (zoals N2 of O2) nodig hebben.
◼ De roloven maakt gebruik van een rolwrijvingsproces, waardoor de lengte van de oven niet wordt beïnvloed door de voortstuwingskracht. Theoretisch gezien kan deze oneindig lang zijn. De eigenschappen van de ovenholtestructuur, een betere consistentie bij het bakken van producten, en de grote ovenholtestructuur bevorderen de luchtstroom in de oven en de drainage en afvoer van producten. Het is de voorkeursuitrusting ter vervanging van de duwoven om grootschalige productie te realiseren.
◼ Momenteel worden lithiumkobaltoxide, ternair, lithiummangaan en andere kathodematerialen van lithiumionbatterijen gesinterd in een luchtwalsoven, terwijl lithiumijzerfosfaat wordt gesinterd in een walsoven beschermd met stikstof, en NCA wordt gesinterd in een walsoven beschermd met zuurstof.
Negatief elektrodemateriaal
De belangrijkste stappen in het basisproces van kunstmatig grafiet zijn onder meer voorbehandeling, pyrolyse, het malen met een kogel, grafitisering (dat wil zeggen warmtebehandeling, zodat de oorspronkelijk ongeordende koolstofatomen netjes worden gerangschikt, en de belangrijkste technische schakels), mengen, coaten, mengen, zeven, wegen, verpakken en opslaan. Alle bewerkingen zijn nauwkeurig en complex.
◼ Granulatie wordt onderverdeeld in het pyrolyseproces en het kogelmaalproces.
In het pyrolyseproces wordt tussenproduct 1 in de reactor geplaatst, wordt de lucht in de reactor vervangen door N2, wordt de reactor afgesloten, wordt het elektrisch verwarmd volgens de temperatuurcurve, wordt het gedurende 1 tot 3 uur geroerd bij 200 ~ 300 ℃ en wordt het vervolgens verder verwarmd tot 400 ~ 500 ℃, wordt het geroerd om materiaal te verkrijgen met een deeltjesgrootte van 10 ~ 20 mm, wordt de temperatuur verlaagd en wordt het ontladen om tussenproduct 2 te verkrijgen. Er worden twee soorten apparatuur gebruikt in het pyrolyseproces, verticale reactor en continue granulatieapparatuur, die beide hetzelfde principe hebben. Ze roeren of bewegen beide onder een bepaalde temperatuurcurve om de samenstelling van het materiaal en de fysische en chemische eigenschappen in de reactor te veranderen. Het verschil is dat de verticale ketel een combinatie is van een hete ketel en een koude ketel. De materiaalcomponenten in de ketel worden veranderd door te roeren volgens de temperatuurcurve in de hete ketel. Na voltooiing wordt het in de koelketel geplaatst om te koelen en kan de hete ketel worden gevoed. Continue granulatieapparatuur realiseert een continue werking, met een laag energieverbruik en een hoge output.
◼ Carbonisatie en grafitisatie zijn onmisbaar. De carbonisatieoven carboniseert de materialen bij gemiddelde en lage temperaturen. De temperatuur van de carbonisatieoven kan oplopen tot 1600 graden Celsius, wat voldoet aan de carbonisatiebehoeften. De uiterst nauwkeurige, intelligente temperatuurregelaar en het automatische PLC-bewakingssysteem zorgen voor een nauwkeurige controle van de tijdens het carbonisatieproces gegenereerde gegevens.
Grafitiseringsovens, waaronder horizontale hogetemperatuur-, lagere ontladings-, verticale, enz. plaatsen het grafiet in een hete grafietzone (koolstofbevattende omgeving) voor het sinteren en smelten, en de temperatuur kan gedurende deze periode oplopen tot 3200 ℃.
◼ Coating
Het tussenproduct 4 wordt via het automatische transportsysteem naar de silo getransporteerd en door de manipulator automatisch in de promethiumdoos gevuld. Het automatische transportsysteem transporteert het promethiumdoos naar de continureactor (walsoven) voor coating. Het tussenproduct 5 wordt verkregen (onder stikstofbescherming wordt het materiaal gedurende 8 tot 10 uur verhit tot 1150 °C volgens een bepaalde temperatuurstijgingscurve). Het verwarmingsproces bestaat uit het verwarmen van de apparatuur met elektriciteit en de verwarmingsmethode is indirect. De verhitting verandert het hoogwaardige asfalt op het oppervlak van de grafietdeeltjes in pyrolytische koolstofcoating. Tijdens het verwarmingsproces condenseren de harsen in het hoogwaardige asfalt en transformeert de kristalmorfologie (de amorfe toestand wordt omgezet in een kristallijne toestand). Een geordende microkristallijne koolstoflaag wordt gevormd op het oppervlak van de natuurlijke bolvormige grafietdeeltjes en uiteindelijk wordt een gecoat grafietachtig materiaal met een "kern-schil"-structuur verkregen.