Dengan perkembangan berterusan teknologi canggih, serbuk dan produk seramik canggih telah menjadi bahan utama dan penghalang dalam bidang berteknologi tinggi tertentu. industri bateri litium, sesetengah bahan seramik memainkan peranan penting dalam rantaian pengeluarannya. Bahan-bahan ini boleh berfungsi secara langsung sebagai elektrod atau bahan pemisah, digunakan sebagai bahan pembungkusan atau bertindak sebagai bahan tambahan dalam proses pengeluaran. Pasaran bahan seramik ini telah berkembang pesat disebabkan oleh permintaan daripada sektor bateri litium. Hari ini, mari kita lihat dengan lebih dekat yang mana bahan seramik diperlukan untuk menghasilkan bateri litium.
Bateri litium-ion terutamanya terdiri daripada lima bahagian: bahan katod, bahan anod, pemisah, elektrolit dan bahan pembungkusan. Antaranya, pemisah merupakan bahagian yang paling mencabar dari segi teknikal. bahan bateri, dengan kosnya merangkumi 10% hingga 14%, kedua selepas bahan katod. Dalam bateri mewah, kos pemisah juga boleh merangkumi sehingga 20%.
Kelemahan Pemisah Tradisional
Pemisah bateri litium-ion yang dikomersialkan kebanyakannya membran mikropori yang diperbuat daripada polietilena (PE) atau polipropilena (PP). Pemisah poliolefin ini mempunyai kelemahan tertentu. Di satu pihak, apabila suhu luaran mencapai atau melebihi takat lebur pemisah, pemisah mungkin mengecut atau cair, yang membawa kepada larian haba dalaman atau litar pintas dalam bateri. Oleh itu, mengekalkan saiz dan bentuk pemisah adalah penting untuk meningkatkan keselamatan bateri. Sebaliknya, kerana kekutuban pemisah poliolefin tidak sepadan dengan elektrolit organik, pemisah mempunyai pembasahan yang lemah dengan elektrolit, yang bermaksud bahawa semasa kitaran cas-nyahcas berulang, keupayaan pemisah untuk mengekalkan elektrolit bukan akueus adalah lemah, sekali gus menjejaskan prestasi kitaran bateri.
Kelebihan Pemisah Seramik dan Bahan Perwakilan
Pada masa ini, pemisah seramik boleh dibahagikan kepada dua kategori berdasarkan kaedah penyediaannya. Satu kaedah melibatkan penggunaan pemisah poliolefin tradisional atau fabrik bukan tenunan sebagai membran asas. Lapisan seramik salutan kemudiannya digunakan menggunakan kaedah seperti ikatan, penekanan panas atau cantuman. Kaedah lain melibatkan pencampuran zarah seramik bersaiz nano ke dalam bahan organik untuk menghasilkan buburan. Bubur ini kemudiannya diregangkan menjadi filem atau dibuat menjadi fabrik bukan tenunan.
Dengan penggunaan tablet dan kenderaan elektrik yang meluas, pemisah poliolefin tradisional tidak lagi dapat memenuhi keperluan voltan tinggi dan ketumpatan tenaga tinggi. Ini disebabkan oleh prestasinya yang lemah dari segi rintangan tekanan tinggi dan suhu tinggi. Dengan menggunakan teknologi salutan pemisah, salutan seramik dapat mencegah titik pelarian haba dalam bateri daripada mengembang. Ini memastikan keselamatan yang lebih baik. Struktur unik bahan bukan organik juga meningkatkan rintangan pemisah terhadap pengecutan haba. Selain itu, salutan seramik mempunyai sifat hidrofilik. Sifat-sifat ini meningkatkan penyerapan elektrolit, yang dapat meningkatkan keseragaman pengagihan arus dalam bateri semasa kitaran cas dan nyahcas.
Bahan pemisah seramik yang paling banyak dikaji ialah alumina ketulenan tinggi (Al2O3) dan boehmit (AlOOH).
Alumina Ketulenan Tinggi (Al2O3)
Alumina ialah sebatian kekerasan tinggi dengan takat lebur 2054°C dan takat didih 2980°C. Ia merupakan kristal terikat ionik dengan kestabilan terma yang tinggi dan kimia ketiadaan, menjadikannya pilihan yang sangat baik untuk salutan seramik pada pemisah bateri. Kelebihan alumina berketulenan tinggi termasuk:
- Hayat Kitaran PanjangIa mengurangkan litar pintas mikro mekanikal semasa proses kitaran, sekali gus meningkatkan jangka hayat kitaran dengan berkesan.
- Prestasi Kadar TinggiNano alumina berketulenan tinggi boleh membentuk larutan pepejal dalam bateri litium, meningkatkan prestasi kadar dan kestabilan kitaran.
- Kekonduksian Terma yang CemerlangNano alumina berketulenan tinggi mempunyai kekonduksian terma yang sangat baik, yang membantu dalam memindahkan haba apabila suhu bateri meningkat, sekali gus menyelesaikan isu kekonduksian terma yang lemah bagi bahan PP/PE.
- Keupayaan Pembasahan yang BaikSerbuk nano alumina mempunyai kapasiti penyerapan dan pengekalan elektrolit yang baik.
- Kalis Api yang CemerlangAlumina ialah bahan kalis api yang sangat baik. Walaupun pada suhu tinggi, sifat kalis apinya yang unggul dapat mencegah pembakaran meluas atau letupan.
- Penyekatan ArusDalam kes arus berlebihan, alumina ketulenan tinggi boleh menyekat arus, mencegah litar pintas yang mungkin terhasil daripada haba berlebihan yang menyebabkan pemisah cair.
Boehmite (AlOOH)
Boehmit tulen berwarna putih, dengan struktur kristal monoklin, tergolong dalam sistem kristal ortorombik. Ia mempunyai kekerasan Mohs 3-3.5 dan graviti tentu 3.0-3.07. Boehmit ialah prekursor γ-Al2O3 dan digunakan dalam pelbagai aplikasi, seperti bahan seramik, bahan komposit, salutan perlindungan permukaan, bahan optik, pemangkin dan bahan semikonduktor.
Berbanding dengan alumina, boehmite mempunyai kelebihan berikut:
- Kekerasan yang Lebih RendahBoehmite mempunyai kekerasan yang lebih rendah, yang mengurangkan haus mekanikal semasa proses pemotongan dan penyalutan, menjadikannya lebih kos efektif daripada alumina berketulenan tinggi.
- Rintangan Haba TinggiBoehmite mempunyai kestabilan terma yang sangat baik dan keserasian yang baik dengan bahan organik.
- Ketumpatan RendahUntuk berat yang sama, boehmite boleh meliputi 25% lebih banyak kawasan berbanding alumina.
- Keseragaman Salutan yang Lebih BaikLapisan Boehmite lebih seragam, menghasilkan rintangan dalaman yang lebih rendah.
- Penggunaan Tenaga yang Lebih RendahProses pengeluaran boehmite lebih cekap tenaga dan mesra alam.
- Penyerapan Air yang Lebih RendahBoehmite hanya menyerap separuh air yang diserap oleh alumina berketulenan tinggi.
- Pengeluaran Lebih MudahPenyediaan boehmite adalah lebih mudah daripada alumina ketulenan tinggi, yang memerlukan pengkalsinan, pengisaran dan penggredan.
- Lebih Mudah DigantiBeralih kepada boehmite tidak memerlukan perubahan ketara dalam peralatan atau proses pengeluar pemisah, dan ia menyebabkan kerosakan pada peralatan yang lebih sedikit.
Aditif Katod – Zirkonium Oksida (ZrO2)
Aplikasi produk zirkonium oksida nano (ZrO2) dalam sektor tenaga baharu semakin berkembang, dengan lebih banyak reka bentuk bateri litium yang menggabungkan serbuk zirkonium oksida sebagai bahan tambahan katod untuk menstabilkan prestasi bateri dan meningkatkan jangka hayat kitaran. Dengan mengambil nikel-kobalt-mangan litium (LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2) sebagai contoh, mari kita kaji bagaimana zirkonium oksida nano mempengaruhi prestasi bahan katod.
Kesan Struktur
Analisis pembelauan sinar-X (XRD) LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 yang didop dengan ZrO2 mendedahkan bahawa penambahan ZrO2 tidak mengubah struktur keseluruhan bahan, yang mengekalkan struktur berlapis jenis α-NaFeO2 heksagon yang tipikal pada bahan tersebut.
Kesan Morfologi
Apabila tahap pendopan ZrO2 meningkat, saiz zarah primer berkurangan daripada zarah blok biasa bersaiz 200–400 nm kepada agregat tumpat bersaiz 100–200 nm. Zarah besar yang terbentuk melalui aglomerasi zarah primer dikurangkan kepada 1–2 μm. Bentuk sfera zarah menjadi kurang ketara dengan pendopan, yang memudahkan resapan ion litium.
Kesan Elektrokimia
Kajian menunjukkan bahawa bahan yang didop ZrO2 menunjukkan kapasiti nyahcas yang lebih tinggi berbanding LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 yang asal. Ini berkemungkinan disebabkan oleh saiz yang lebih kecil saiz Zarah, yang mengurangkan laluan resapan ion litium dan meningkatkan prestasi elektrokimia. Selain itu, ion Zr4+ mungkin berhijrah ke permukaan dan membentuk larutan pepejal, yang membantu mencegah keruntuhan struktur semasa kitaran cas-nyahcas dan juga melindungi bahan daripada pembubaran kobalt, sekali gus meningkatkan kestabilan kitaran.
Bahan Katod Sintering – Peralatan Rel Seramik
Dengan peningkatan permintaan untuk bateri kenderaan elektrik, permintaan untuk bahan katod telah melonjak, mendorong pengeluar relau domestik untuk menaik taraf peralatan pengeluaran mereka. Bahan seperti seramik silikon karbida dan seramik kordierit-mullit telah menyaksikan peningkatan permintaan yang ketara.
Plat Penolak
Plat penolak yang biasa digunakan diperbuat daripada silikon karbida dan korundum-mullit, dengan plat silikon karbida terutamanya digunakan untuk relau suhu rendah. Walau bagaimanapun, pengoksidaannya pada suhu melebihi 1300°C mengehadkan penggunaannya.
Pijar
Dari segi mangkuk pijar, pelbagai bahan digunakan untuk pensinteran bahan katod. Mangkuk pijar Cordierite-mullite digunakan secara meluas dalam sektor bahan katod bateri litium kerana rintangan kejutan haba yang sangat baik dan keberkesanan kos.
Penggelek
Penggelek yang digunakan dalam tanur penggelek, yang biasanya digunakan dalam pensinteran bahan katod bateri litium-ion, mesti tahan suhu tinggi dan tahan terhadap ubah bentuk rayapan. Bahan yang biasa digunakan untuk penggelek seramik termasuk korundum, aluminosilikat, silika terlakur dan silikon karbida.
Bahan Seramik Bateri Litium Lain
Di samping itu, serbuk atau produk seramik lain juga digunakan dalam penyediaan atau pemasangan bateri litium. Contohnya, alumina ultrahalus ketulenan tinggi digunakan sebagai bahan tambahan katod, memainkan peranan dalam salutan dan pendopan. Serbuk mikro silikon karbida boleh digabungkan dengan grafit, nanotube karbon atau nano-titanium nitrida untuk membentuk bahan anod. Gabungan ini meningkatkan kapasiti dan jangka hayat bateri. Dalam proses pengedap bateri litium, cincin seramik elektronik adalah komponen penting. Cincin ini juga dikenali sebagai "penyambung pengedap seramik bateri kuasa jenis baharu." Ia membentuk sambungan konduktif tertutup antara penutup bateri dan kutub dalam kenderaan elektrik.
Kesimpulan
Dengan perkembangan berterusan teknologi dan bahan canggih, kemungkinan besar lebih banyak bahan seramik bateri litium akan digunakan dalam bateri litium dan seluruh sektor tenaga baharu pada masa hadapan.
"Terima kasih kerana membaca. Saya harap artikel saya membantu. Sila tinggalkan komen di bawah. Anda juga boleh menghubungi wakil pelanggan dalam talian Zelda untuk sebarang pertanyaan lanjut."
- Dihantar oleh Emily Chen