Materiali catodici, uno dei quattro materiali principali in batterie al litio Il catodo, l'anodo, il separatore e l'elettrolita sono componenti cruciali delle batterie al litio. Rappresentano inoltre una parte considerevole del costo della batteria. Il costo dei materiali catodici determina in larga misura il prezzo della batteria. Tra i materiali catodici per batterie al litio, i più comuni includono l'ossido di litio cobalto (LCO), il fosfato di litio ferro (LFP), il fosfato di litio manganese ferro (LMFP), l'ossido di nichel cobalto manganese litio (NCM) e l'ossido di litio manganese (LMO), tra gli altri. I loro processi di produzione differiscono leggermente, ma i principi fondamentali sono simili. I materiali precursori vengono miscelati con carbonato di litio o idrossido di litio e quindi riscaldati ad alte temperature per ottenere il prodotto.
Il processo di produzione del fosfato di ferro e litio comprende principalmente due metodi: il metodo in fase solida e il metodo in fase liquida. Il metodo in fase solida prevede diversi approcci, come il metodo del fosfato di ferro, il metodo del ferro, il metodo del rosso di ferro e il metodo del ferro ossalato. Ognuno di essi presenta vantaggi e svantaggi. Il metodo in fase liquida, rappresentato principalmente dal metodo in fase liquida ad autoevaporazione sviluppato da Defang Nano, presenta un'elevata barriera tecnologica. Questo articolo illustrerà il metodo del fosfato di ferro più diffuso a titolo di esempio.
Miscelazione e macinazione
I materiali di reazione vengono macinati e miscelati accuratamente per garantire che la reazione proceda efficacemente durante il successivo processo di sinterizzazione. L'apparecchiatura utilizzata in questa fase è un mulino a sabbia. Le principali materie prime, tra cui fosfato di ferro, carbonato di litio, fonte di carbonio (come glucosio, saccarosio, polietilenglicole, ecc.), agente disperdente e additivi, vengono aggiunte all'apparecchiatura di miscelazione in precise proporzioni stechiometriche. Per la pre-dispersione si utilizza acqua pura o etanolo, seguita dalla macinazione in un mulino a sabbia. Questo processo continua fino al raggiungimento della granulometria desiderata (generalmente inferiore a 500 nm).
Il fosfato di ferro e il carbonato di litio sono i reagenti principali. La fonte di carbonio svolge un ruolo importante nella formazione di un rivestimento di carbonio sulla superficie del fosfato di ferro e litio durante la sinterizzazione ad alta temperatura. Ciò ne migliora la conduttività e previene la formazione di Fe³⁺. L'agente disperdente migliora la dispersione e il contenuto di solidi della sospensione. Alcuni materiali ad alto peso molecolare formano anche un rivestimento di carbonio dopo la sinterizzazione per migliorare le prestazioni del materiale.
Additivi come grafite conduttiva, nanotubi di carbonio o ossidi metallici migliorano la conduttività, le prestazioni ad alta/bassa temperatura e la stabilità ciclica del prodotto finale.
Essiccazione a spruzzo
In questa fase, il solvente presente nella sospensione miscelata derivante dal processo di macinazione viene rimosso. Questo trasforma la sospensione in polvere secca per il successivo processo di sinterizzazione. L'apparecchiatura utilizzata è un essiccatore a spruzzo.
La sospensione viene atomizzata in piccole goccioline da un ugello centrifugo. Queste goccioline entrano poi in contatto con aria calda. Questo fa evaporare il solvente, lasciando particelle di polvere solida. Queste particelle vengono poi raccolte da un separatore a ciclone. Il processo di essiccazione a spruzzo trasforma la sospensione in polvere secca, pronta per la sinterizzazione.
Sinterizzazione
La miscela di polveri subisce una reazione ad alta temperatura in un forno protetto da azoto, che rappresenta la fase chiave del processo. La temperatura e la durata del processo di sinterizzazione influiscono direttamente sulle prestazioni del prodotto finale. L'attrezzatura utilizzata è in genere un forno a rulli, che può estendersi per diversi metri.
La reazione principale è la seguente:
FePO₄ + Li₂CO₃ + C₆H₁₂O₆ → LiFePO₄/C + H₂O + CO₂
La polvere atomizzata viene posta in crogioli e riscaldata nel forno in atmosfera di azoto a temperature comprese tra 700 e 800 °C per diverse ore (solitamente tra 10 e 20 ore). Dopo il raffreddamento, si ottiene il prodotto. Prima della sinterizzazione, la polvere è di colore giallo chiaro, mentre dopo la sinterizzazione diventa nera.
Macinazione superfine e rimozione del ferro
Dopo la sinterizzazione, il prodotto a base di fosfato di ferro e litio deve essere ulteriormente frantumato per ottenere la granulometria desiderata. Durante il processo di produzione, potrebbero essere introdotte impurità ferrose. Queste impurità devono essere rimosse.
Ciò può essere fatto utilizzando attrezzature come un mulino a getto (mulino a getto d'aria) dotato di un dispositivo per la rimozione del ferro. I mulini a getto possono ridurre efficacemente la granulometria separando contemporaneamente le impurità. Ciò garantisce che il prodotto finale di fosfato di ferro e litio abbia un'elevata purezza. Dopo la rimozione del ferro, il prodotto viene confezionato per la spedizione.
Conclusione
Il litio-ferro-fosfato è il materiale catodico primario per le batterie al litio. È preferito per il suo basso costo, l'elevata sicurezza e la lunga durata. Queste caratteristiche lo rendono dominante sul mercato. Il metodo del fosfato di ferro è il principale metodo di produzione del litio-ferro-fosfato. Sebbene il processo sia relativamente semplice, la qualità del prodotto finale dipende in larga misura dalla qualità del precursore, il fosfato di ferro.
Altri metodi, come il metodo dell'ossalato di ferro, stanno gradualmente guadagnando quote di mercato. Questi metodi producono materiali con una densità di maschiatura più elevata.
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— Pubblicato da Emily Chen