Матеріал катода
При підготовці неорганічних електродних матеріалів для літій-іонних акумуляторів найчастіше використовується високотемпературна твердофазна реакція. Високотемпературна твердофазна реакція: це процес, у якому реагенти, включаючи твердофазні речовини, реагують протягом певного періоду часу за певної температури та викликають хімічні реакції шляхом взаємної дифузії між різними елементами, утворюючи найбільш стабільні сполуки за певної температури, включаючи реакцію тверде тіло-тверде тіло, реакцію тверде тіло-газ та реакцію тверде тіло-рідина.
Навіть якщо використовуються золь-гель метод, метод співосадження, гідротермальний метод та сольвотермічний метод, зазвичай потрібна твердофазна реакція або твердофазне спікання за високої температури. Це пояснюється тим, що принцип роботи літій-іонного акумулятора вимагає, щоб матеріал його електрода міг багаторазово вводити та видаляти Li+, тому його структура решітки повинна мати достатню стабільність, що вимагає високої кристалічністі активних матеріалів та регулярної кристалічної структури. Цього важко досягти за низьких температур, тому електродні матеріали літій-іонних акумуляторів, що фактично використовуються в даний час, в основному отримують шляхом високотемпературної твердофазної реакції.
Виробнича лінія з обробки катодних матеріалів включає в себе систему змішування, систему спікання, систему дроблення, систему промивання водою (лише з високим вмістом нікелю), систему пакування, систему транспортування порошку та інтелектуальну систему керування.
Під час використання процесу мокрого змішування у виробництві катодних матеріалів для літій-іонних акумуляторів часто виникають проблеми із сушінням. Різні розчинники, що використовуються в процесі мокрого змішування, призводять до різних процесів та обладнання для сушіння. Наразі в процесі мокрого змішування використовуються переважно два види розчинників: неводні розчинники, а саме органічні розчинники, такі як етанол, ацетон тощо; водні розчинники. Сушильне обладнання для мокрого змішування катодних матеріалів літій-іонних акумуляторів в основному включає: вакуумну роторну сушарку, вакуумну грабельну сушарку, розпилювальну сушарку та вакуумну стрічкову сушарку.
Промислове виробництво катодних матеріалів для літій-іонних акумуляторів зазвичай використовує високотемпературний процес твердотільного спікання, а його основним та ключовим обладнанням є агломераційна піч. Сировина для виробництва катодних матеріалів літій-іонних акумуляторів рівномірно змішується та сушиться, потім завантажується в піч для спікання, а потім вивантажується з печі для подрібнення та класифікації. Для виробництва катодних матеріалів дуже важливі техніко-економічні показники, такі як контроль температури, однорідність температури, контроль та однорідність атмосфери, безперервність, виробнича потужність, споживання енергії та ступінь автоматизації печі. Наразі основним обладнанням для спікання, що використовується у виробництві катодних матеріалів, є штовхачна піч, роликова піч та піч з ковпаком.
◼ Роликова піч — це тунельна піч середнього розміру з безперервним нагріванням та спіканням.
◼ Залежно від атмосфери печі, як і штовхачна піч, роликова піч також поділяється на повітряну піч та атмосферну піч.
- Повітряна піч: використовується переважно для спікання матеріалів, що потребують окислювальної атмосфери, таких як матеріали на основі манганату літію, матеріали на основі оксиду літію кобальту, потрійні матеріали тощо;
- Атмосферна піч: використовується переважно для потрійних матеріалів NCA, матеріалів на основі фосфату літію заліза (LFP), матеріалів для графітових анодів та інших матеріалів для спікання, які потребують захисту від атмосферних газів (таких як N2 або O2).
◼ Роликова піч використовує процес тертя кочення, тому довжина печі не залежить від сили рушія. Теоретично, вона може бути нескінченною. Характеристики структури порожнини печі, краща однорідність під час випалювання продуктів, а також велика структура порожнини печі сприяють руху повітряного потоку в печі, дренажу та вивантаженню гуми з продуктів. Це краще обладнання для заміни штовхальної печі для справжньої реалізації великомасштабного виробництва.
◼ Наразі оксид літію, кобальту, потрійний іон, манганат літію та інші катодні матеріали літій-іонних акумуляторів спікаються у повітряній роликовій печі, тоді як фосфат літію-заліза спікається у роликовій печі, захищеній азотом, а NCA спікається у роликовій печі, захищеній киснем.
Матеріал негативного електрода
Основні етапи базового технологічного процесу штучного графіту включають попередню обробку, піроліз, подрібнення кулі, графітизацію (тобто термічну обробку, щоб спочатку невпорядковані атоми вуглецю були акуратно розташовані, та ключові технічні ланки), змішування, покриття, просіювання змішування, зважування, пакування та складування. Всі операції є тонкими та складними.
◼ Грануляція поділяється на процес піролізу та процес просіювання кульовим млином.
У процесі піролізу проміжний матеріал 1 поміщають у реактор, замінюють повітря в реакторі на N2, герметизують реактор, нагрівають його електрично відповідно до температурної кривої, перемішують при температурі 200 ~ 300 ℃ протягом 1 ~ 3 годин, а потім продовжують нагрівати до 400 ~ 500 ℃, перемішують до отримання матеріалу з розміром частинок 10 ~ 20 мм, знижують температуру та випускають його, щоб отримати проміжний матеріал 2. У процесі піролізу використовується два типи обладнання: вертикальний реактор та обладнання безперервної грануляції, обидва з яких мають однаковий принцип. Вони обидва перемішують або рухаються під певною температурною кривою, змінюючи склад матеріалу та його фізичні та хімічні властивості в реакторі. Різниця полягає в тому, що вертикальний котел є комбінованим режимом гарячого та холодного котла. Компоненти матеріалу в котлі змінюються шляхом перемішування відповідно до температурної кривої в гарячому котлі. Після завершення процесу його поміщають в охолоджувальний котел для охолодження, і гарячий котел можна живити. Обладнання безперервної грануляції забезпечує безперервну роботу з низьким споживанням енергії та високою продуктивністю.
◼ Карбонізація та графітизація є невід'ємною частиною. Карбонізаційна піч карбонізує матеріали за середніх та низьких температур. Температура карбонізаційної печі може досягати 1600 градусів Цельсія, що відповідає потребам карбонізації. Високоточний інтелектуальний контролер температури та автоматична система моніторингу PLC забезпечать точний контроль даних, отриманих у процесі карбонізації.
Графітизаційна піч, включаючи горизонтальну високотемпературну, з нижнім розрядом, вертикальну тощо, поміщає графіт у гарячу зону графіту (середовище, що містить вуглець) для спікання та плавлення, і температура протягом цього періоду може досягати 3200 ℃.
◼ Покриття
Проміжний матеріал 4 транспортується до силосу за допомогою автоматичної системи транспортування, і матеріал автоматично заповнюється в контейнер з прометієм за допомогою маніпулятора. Автоматична система транспортування транспортує контейнер з прометієм до реактора безперервної дії (роликової печі) для покриття. Отримують проміжний матеріал 5 (під захистом азоту матеріал нагрівають до 1150 ℃ відповідно до певної кривої підвищення температури протягом 8~10 годин). Процес нагрівання полягає в нагріванні обладнання за допомогою електрики, а метод нагрівання є непрямим. Нагрівання перетворює високоякісний асфальт на поверхні графітових частинок на піролітичне вуглецеве покриття. Під час процесу нагрівання смоли у високоякісному асфальті конденсуються, і кристалічна морфологія трансформується (аморфний стан переходить у кристалічний). На поверхні природних сферичних графітових частинок утворюється впорядкований мікрокристалічний вуглецевий шар, і, нарешті, отримується покритий графітоподібний матеріал зі структурою "ядро-оболонка".