Matériaux de cathode, l'un des quatre principaux matériaux dans piles au lithium La cathode, l'anode, le séparateur et l'électrolyte sont des composants essentiels des batteries au lithium. Ils représentent également une part importante de leur coût. Le prix de la batterie est largement déterminé par le coût des matériaux de cathode. Parmi les matériaux de cathode les plus couramment utilisés, on trouve l'oxyde de lithium-cobalt (LCO), le phosphate de fer lithié (LFP), le phosphate de fer lithié-manganèse (LMFP), l'oxyde de nickel-cobalt-manganèse-lithium (NCM) et l'oxyde de lithium-manganèse (LMO). Leurs procédés de fabrication diffèrent légèrement, mais les principes fondamentaux restent similaires. Les précurseurs sont mélangés à du carbonate de lithium ou à de l'hydroxyde de lithium, puis chauffés à haute température pour obtenir le produit final.
Le procédé de production du phosphate de fer lithié comprend principalement deux méthodes : la méthode en phase solide et la méthode en phase liquide. La méthode en phase solide regroupe diverses approches, telles que la méthode au phosphate de fer, la méthode au fer, la méthode au rouge de fer et la méthode à l’oxalate de fer. Chacune présente ses propres avantages et inconvénients. La méthode en phase liquide, principalement représentée par la méthode d’auto-évaporation développée par Defang Nano, se heurte à d’importantes barrières technologiques. Cet article présentera la méthode au phosphate de fer, la plus courante, à titre d’exemple.
Mélange et broyage
Les réactifs sont broyés et parfaitement mélangés afin d'assurer le bon déroulement de la réaction lors du frittage. Cette étape est réalisée à l'aide d'un broyeur à sable. Les principales matières premières, notamment le phosphate de fer, le carbonate de lithium, une source de carbone (glucose, saccharose, polyéthylène glycol, etc.), un agent dispersant et des additifs, sont introduites dans le broyeur selon des proportions stœchiométriques précises. Une prédispersion à l'eau pure ou à l'éthanol est effectuée, suivie d'un broyage dans le broyeur à sable. Ce processus se poursuit jusqu'à l'obtention de la granulométrie souhaitée (généralement inférieure à 500 nm).
Le phosphate de fer et le carbonate de lithium sont les principaux réactifs. La source de carbone joue un rôle important dans la formation d'un revêtement carboné à la surface du phosphate de fer lithié lors du frittage à haute température. Ce revêtement améliore la conductivité et empêche la formation d'ions Fe³⁺. L'agent dispersant améliore la dispersion et la teneur en solides de la suspension. Certains matériaux à haut poids moléculaire forment également un revêtement carboné après frittage, ce qui améliore leurs performances.
Des additifs comme le graphite conducteur, les nanotubes de carbone ou les oxydes métalliques améliorent la conductivité, les performances à haute/basse température et la stabilité cyclique du produit final.
Séchage par atomisation
Lors de cette étape, le solvant contenu dans la suspension issue du broyage est éliminé. La suspension est ainsi transformée en poudre sèche pour l'étape de frittage suivante. L'appareil utilisé est un séchoir par atomisation.
La suspension est atomisée en fines gouttelettes par une buse centrifuge. Ces gouttelettes entrent ensuite en contact avec de l'air chaud, ce qui provoque l'évaporation du solvant et la formation de particules de poudre solide. Ces particules sont ensuite collectées par un séparateur cyclonique. Le procédé de séchage par atomisation transforme la suspension en poudre sèche, prête pour le frittage.
Frittage
Le mélange de poudres subit une réaction à haute température dans un four sous atmosphère d'azote, étape clé du procédé. La température et la durée du frittage influent directement sur les performances du produit final. L'équipement utilisé est généralement un four à rouleaux, pouvant atteindre plusieurs mètres de long.
La principale réaction est la suivante :
FePO₄ + Li₂CO₃ + C₆H₁₂O₆ → LiFePO₄/C + H₂O + CO₂
La poudre séchée par atomisation est placée dans des creusets et chauffée dans un four sous atmosphère d'azote à des températures comprises entre 700 et 800 °C pendant plusieurs heures (généralement de 10 à 20 heures). Après refroidissement, on obtient le produit. Avant frittage, la poudre est jaune clair ; après frittage, elle devient noire.
Broyage ultrafin et déferrisation
Après frittage, le phosphate de fer lithié doit être broyé davantage pour obtenir la granulométrie souhaitée. Au cours du processus de production, des impuretés de fer peuvent être introduites. Ces impuretés doivent être éliminées.
Cela peut être réalisé en utilisant un équipement tel que… broyeur à jet Le broyeur à jet d'air est équipé d'un dispositif d'élimination du fer. Il permet de réduire efficacement la taille des particules tout en séparant les impuretés, garantissant ainsi un phosphate de fer lithié de haute pureté. Après l'élimination du fer, le produit est conditionné pour l'expédition.
Conclusion
Le phosphate de fer lithié est le principal matériau de cathode pour les batteries au lithium. Il est privilégié pour son faible coût, sa grande sécurité et sa longue durée de vie. Ces caractéristiques lui confèrent une position dominante sur le marché. La méthode de phosphatation au fer est la principale voie de production du phosphate de fer lithié. Bien que le procédé soit relativement simple, la qualité du produit final dépend fortement de la qualité du précurseur de phosphate de fer.
D'autres méthodes, comme la méthode au fer oxalate, gagnent progressivement des parts de marché. Ces méthodes permettent d'obtenir des matériaux à densité apparente plus élevée.
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— Publié par Emily Chen