مواد الكاثود, ، أحد المواد الرئيسية الأربعة في بطاريات الليثيوم تُعدّ (الكاثود، والأنود، والفاصل، والإلكتروليت) مكونات أساسية في بطاريات الليثيوم، كما أنها تُشكّل جزءًا كبيرًا من تكلفتها. وتُحدّد تكلفة مواد الكاثود سعر البطارية بشكل كبير. ومن بين مواد كاثود بطاريات الليثيوم الشائعة: أكسيد الليثيوم والكوبالت (LCO)، وفوسفات الليثيوم والحديد (LFP)، وفوسفات الليثيوم والمنغنيز والحديد (LMFP)، وأكسيد الليثيوم والنيكل والكوبالت والمنغنيز (NCM)، وأكسيد الليثيوم والمنغنيز (LMO)، وغيرها. تختلف عمليات إنتاجها اختلافًا طفيفًا، لكن المبادئ الأساسية متشابهة. تُخلط المواد الأولية مع كربونات الليثيوم أو هيدروكسيد الليثيوم، ثم تُسخّن في درجات حرارة عالية للحصول على المنتج.
تتضمن عملية إنتاج فوسفات الحديد الليثيوم بشكل أساسي طريقتين: طريقة الطور الصلب وطريقة الطور السائل. تتعدد أساليب طريقة الطور الصلب، مثل طريقة فوسفات الحديد، وطريقة الحديد، وطريقة الحديد الأحمر، وطريقة أكسالات الحديد. ولكل منها مزاياها وعيوبها. أما طريقة الطور السائل، التي تتمثل بشكل رئيسي في طريقة التبخر الذاتي السائل التي طورتها شركة ديفانغ نانو، فتتطلب مهارة تقنية عالية. ستشرح هذه المقالة طريقة فوسفات الحديد الشائعة كمثال.
الخلط والطحن
تُطحن مواد التفاعل وتُخلط جيدًا لضمان سير التفاعل بكفاءة خلال عملية التلبيد اللاحقة. يُستخدم في هذه المرحلة مطحنة رمل. تُضاف المواد الخام الرئيسية، بما في ذلك فوسفات الحديد، وكربونات الليثيوم، ومصدر الكربون (مثل الجلوكوز، والسكروز، والبولي إيثيلين جليكول، وغيرها)، وعامل التشتيت، والمواد المضافة، إلى جهاز الخلط بنسب ستويكيومترية دقيقة. يُستخدم الماء النقي أو الإيثانول للتشتيت الأولي، ثم تُطحن المواد في مطحنة الرمل. تستمر هذه العملية حتى الوصول إلى حجم الجسيمات المطلوب (عادةً أقل من 500 نانومتر).
يُعدّ فوسفات الحديد وكربونات الليثيوم المتفاعلين الرئيسيين. ويلعب مصدر الكربون دورًا هامًا في تكوين طبقة كربونية على سطح فوسفات الحديد والليثيوم أثناء التلبيد عند درجات حرارة عالية، مما يُحسّن موصليته ويمنع تكوّن أيونات الحديد الثلاثي (Fe³⁺). ويعمل عامل التشتيت على تعزيز تشتت المادة وزيادة محتواها الصلب. كما تُكوّن بعض المواد ذات الوزن الجزيئي العالي طبقة كربونية بعد التلبيد لتحسين أدائها.
تعمل الإضافات مثل الجرافيت الموصل، وأنابيب الكربون النانوية، أو أكاسيد المعادن على تحسين التوصيلية، والأداء في درجات الحرارة العالية/المنخفضة، واستقرار الدورة للمنتج النهائي.
التجفيف بالرش
في هذه الخطوة، يُزال المذيب من الخليط الناتج عن عملية الطحن، مما يحوله إلى مسحوق جاف يُستخدم في عملية التلبيد اللاحقة. ويُستخدم في هذه العملية مجفف رذاذي.
يُحوّل الملاط إلى قطرات صغيرة بواسطة فوهة طرد مركزي. ثم تتلامس هذه القطرات مع هواء ساخن، مما يؤدي إلى تبخير المذيب، تاركًا وراءه جزيئات مسحوق صلبة. تُجمع هذه الجزيئات بعد ذلك بواسطة فاصل إعصاري. تُحوّل عملية التجفيف بالرش الملاط إلى مسحوق جاف، جاهز للتلبيد.
التلبيد
يخضع خليط المسحوق لتفاعل حراري عالي الحرارة في فرن محمي بالنيتروجين، وهي الخطوة الأساسية في العملية. تؤثر درجة حرارة عملية التلبيد ومدتها بشكل مباشر على أداء المنتج النهائي. عادةً ما يكون الجهاز المستخدم فرنًا أسطوانيًا، قد يمتد طوله لعدة أمتار.
يكون رد الفعل الرئيسي كما يلي:
FePO₄ + Li₂CO₃ + C₆H₁₂O₆ → LiFePO₄/C + H₂O + CO₂
يُوضع المسحوق المجفف بالرش في بوتقات ويُسخّن في الفرن تحت جو من النيتروجين عند درجات حرارة تتراوح بين 700 و800 درجة مئوية لعدة ساعات (عادةً ما بين 10 إلى 20 ساعة). بعد التبريد، نحصل على المنتج. قبل التلبيد، يكون لون المسحوق أصفر فاتحًا، وبعد التلبيد، يصبح مسحوقًا أسود.
الطحن فائق النعومة وإزالة الحديد
بعد عملية التلبيد، يحتاج منتج فوسفات الحديد الليثيوم إلى مزيد من الطحن للوصول إلى حجم الجسيمات المطلوب. وخلال عملية الإنتاج، قد تدخل شوائب الحديد، والتي يجب إزالتها.
يمكن القيام بذلك باستخدام معدات مثل مطحنة نفاثة (مطحنة نفاثة هوائية) مزودة بجهاز لإزالة الحديد. تعمل المطاحن النفاثة على تقليل حجم الجزيئات بكفاءة مع فصل الشوائب في الوقت نفسه، مما يضمن نقاءً عالياً لمنتج فوسفات الحديد الليثيوم النهائي. بعد إزالة الحديد، يُعبأ المنتج للشحن.
خاتمة
يُعدّ فوسفات الحديد الليثيوم المادة الأساسية للكاثود في بطاريات الليثيوم، ويُفضّل استخدامه لانخفاض تكلفته، ومستوى أمانه العالي، وعمره التشغيلي الطويل. هذه الخصائص تجعله مهيمناً في السوق. تُعتبر طريقة فوسفات الحديد الطريقة الرئيسية لإنتاج فوسفات الحديد الليثيوم. ورغم بساطة العملية نسبياً، إلا أن جودة المنتج النهائي تعتمد بشكل كبير على جودة فوسفات الحديد الأولي.
تكتسب طرق أخرى، مثل طريقة أكسالات الحديد، حصة متزايدة في السوق. وتنتج هذه الطرق مواد ذات كثافة أعلى عند الضغط.
تُقدّم شركة إبيك باودر، الرائدة في تصنيع مطاحن النفث، حلولاً متطورة وفعّالة لمعالجة المساحيق في صناعة بطاريات الليثيوم. تتميّز معدات مطاحن النفث المتطورة لديها بقدرتها الفائقة على تقليل حجم الجزيئات وإزالة شوائب الحديد. وباستخدام مطاحن النفث من إبيك باودر، يضمن المنتجون الحصول على فوسفات حديد الليثيوم بأعلى جودة، مما يُحسّن الأداء العام وعمر بطاريات الليثيوم أيون. ومع استمرار التطور التكنولوجي، ستلعب مطاحن النفث دورًا متزايد الأهمية في تحسين كفاءة واستدامة إنتاج مواد بطاريات الليثيوم.
شكرًا لقراءتكم. آمل أن يكون مقالي مفيدًا. يُرجى ترك تعليق أدناه. يمكنكم أيضًا التواصل مع ممثل خدمة عملاء زيلدا عبر الإنترنت لأي استفسارات أخرى.
— نشر بواسطة إميلي تشين