Materiales del cátodo, uno de los cuatro materiales principales en baterías de litio (cátodo, ánodo, separador y electrolito) son componentes cruciales de las baterías de litio. También representan una gran parte de su costo. El costo de los materiales del cátodo determina en gran medida el precio de la batería. Entre los materiales del cátodo para baterías de litio, los materiales principales incluyen el óxido de litio y cobalto (LCO)., fosfato de hierro y litio (LFP), fosfato de hierro, manganeso y litio (LMFP), óxido de níquel, cobalto, manganeso y litio (NCM) y óxido de litio y manganeso (LMO), entre otros. Sus procesos de producción difieren ligeramente, pero los principios fundamentales son similares. Los materiales precursores se mezclan con carbonato de litio o hidróxido de litio y luego se calienta a altas temperaturas para obtener el producto.
El proceso de producción de fosfato de hierro y litio incluye principalmente dos métodos: el método en fase sólida y el método en fase líquida. El método en fase sólida cuenta con diversos enfoques, como el método del hierro fosfatado, el método del hierro, el método del hierro rojo y el método del hierro oxalato. Cada uno presenta sus propias ventajas y desventajas. El método en fase líquida, representado principalmente por el método de autoevaporación en fase líquida desarrollado por Defang Nano, presenta una alta barrera tecnológica. Este artículo explicará el método convencional del hierro fosfatado como ejemplo.
Mezcla y molienda
Los materiales de reacción se muelen y se mezclan completamente para garantizar que la reacción se desarrolle eficazmente durante el proceso de sinterización posterior. El equipo utilizado en este paso es un molino de arena. Las principales materias primas, incluyendo fosfato de hierro, carbonato de litio, fuente de carbono (como glucosa, sacarosa, polietilenglicol, etc.), agente dispersante y aditivos, se añaden al equipo de mezcla en proporciones estequiométricas precisas. Se utiliza agua pura o etanol para la predispersión, seguida de la molienda en un molino de arena. Este proceso continúa hasta obtener el resultado deseado. tamaño de partícula (normalmente por debajo de 500 nm).
El fosfato de hierro y el carbonato de litio son los principales reactivos. La fuente de carbono desempeña un papel importante en la formación de carbono. revestimiento sobre la superficie del fosfato de hierro y litio durante la sinterización a alta temperatura. Esto mejora su conductividad y previene la formación de Fe³⁺. El agente dispersante mejora la dispersión y el contenido de sólidos de la suspensión. Algunos materiales de alto peso molecular también forman una capa de carbono tras la sinterización para mejorar su rendimiento.
Los aditivos como el grafito conductor, los nanotubos de carbono o los óxidos metálicos mejoran la conductividad, el rendimiento a altas y bajas temperaturas y la estabilidad cíclica del producto final.
Secado por aspersión
En este paso, se elimina el disolvente de la suspensión mezclada del proceso de molienda. Esto la transforma en polvo seco para el posterior proceso de sinterización. El equipo utilizado es un secador por aspersión.
La suspensión se atomiza en pequeñas gotas mediante una boquilla centrífuga. Estas gotas entran en contacto con aire caliente. Esto evapora el disolvente, dejando partículas sólidas de polvo. Estas partículas se recogen en un separador ciclónico. El proceso de secado por aspersión convierte la suspensión en polvo seco, listo para la sinterización.
Sinterización
La mezcla de polvos se somete a una reacción a alta temperatura en un horno protegido con nitrógeno, un paso clave del proceso. La temperatura y la duración del proceso de sinterización afectan directamente el rendimiento del producto final. El equipo utilizado suele ser un horno de rodillos, que puede alcanzar varios metros de longitud.
La reacción principal es la siguiente:
FePO₄ + Li₂CO₃ + C₆H₁₂O₆ → LiFePO₄/C + H₂O + CO₂
El polvo secado por aspersión se coloca en crisoles y se calienta en el horno bajo atmósfera de nitrógeno a temperaturas de entre 700 y 800 °C durante varias horas (normalmente entre 10 y 20 horas). Tras el enfriamiento, se obtiene el producto. Antes de la sinterización, el polvo presenta un color amarillo claro y, tras la sinterización, se convierte en polvo negro.
Molienda superfina y eliminación de hierro
Tras la sinterización, el fosfato de hierro y litio debe triturarse aún más para alcanzar el tamaño de partícula deseado. Durante el proceso de producción, pueden introducirse impurezas de hierro, las cuales deben eliminarse.
Esto se puede hacer utilizando equipos como un molino de chorro (Molino de chorro de aire) equipado con un dispositivo de desferrización. Los molinos de chorro pueden reducir eficazmente el tamaño de partícula a la vez que separan las impurezas. Esto garantiza una alta pureza del fosfato de hierro y litio final. Tras la desferrización, el producto se empaqueta para su envío.
Conclusión
El fosfato de hierro y litio es el principal material catódico para baterías de litio. Se prefiere por su bajo costo, alta seguridad y larga vida útil. Estas características lo posicionan como líder en el mercado. El método de fosfato de hierro es la principal vía de producción de fosfato de hierro y litio. Si bien el proceso es relativamente simple, la calidad del producto final depende en gran medida de la calidad del precursor de fosfato de hierro.
Otros métodos, como el método del hierro oxalato, están ganando terreno gradualmente en el mercado. Estos métodos producen materiales con mayor densidad de compactación.
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— Publicado por Emily Chen