Materiais catódicos, um dos quatro principais materiais em baterias de lítio (cátodo, ânodo, separador e eletrólito) são componentes cruciais das baterias de lítio. Eles também representam uma grande parte do custo da bateria. O custo dos materiais do cátodo determina em grande parte o preço da bateria. Entre os materiais de cátodo para baterias de lítio, os materiais mais comuns incluem o óxido de lítio-cobalto (LCO), fosfato de ferro e lítio (LFP), fosfato de lítio, manganês e ferro (LMFP), óxido de níquel, cobalto, manganês e lítio (NCM) e óxido de lítio e manganês (LMO), entre outros. Seus processos de produção diferem ligeiramente, mas os princípios fundamentais são semelhantes. Os materiais precursores são misturados com carbonato de lítio ou hidróxido de lítio e, em seguida, aquecido a altas temperaturas para obter o produto.
O processo de produção de fosfato de ferro e lítio compreende principalmente dois métodos: o método de fase sólida e o método de fase líquida. O método de fase sólida apresenta diversas abordagens, como o método do fosfato de ferro, o método do ferro, o método do ferro vermelho e o método do oxalato de ferro. Cada um possui suas próprias vantagens e desvantagens. O método de fase líquida, principalmente representado pelo método de autoevaporação em fase líquida desenvolvido pela Defang Nano, apresenta uma alta barreira tecnológica. Este artigo explicará o método do fosfato de ferro, o mais utilizado, como exemplo.
Misturar e moer
Os materiais de reação são moídos e completamente misturados para garantir que a reação ocorra de forma eficaz durante o processo subsequente de sinterização. O equipamento utilizado nesta etapa é um moinho de areia. As principais matérias-primas, incluindo fosfato de ferro, carbonato de lítio, fonte de carbono (como glicose, sacarose, polietilenoglicol, etc.), agente dispersante e aditivos, são adicionadas ao equipamento de mistura em proporções estequiométricas precisas. Água pura ou etanol são utilizados para a pré-dispersão, seguida de moagem em moinho de areia. Este processo continua até atingir a consistência desejada. tamanho da partícula (geralmente abaixo de 500nm) é alcançado.
O fosfato de ferro e o carbonato de lítio são os principais reagentes. A fonte de carbono desempenha um papel importante na formação de um composto de carbono. revestimento na superfície do fosfato de ferro-lítio durante a sinterização em alta temperatura. Isso melhora sua condutividade e impede a formação de Fe³⁺. O agente dispersante melhora a dispersão e o teor de sólidos da pasta. Alguns materiais de alta massa molecular também formam um revestimento de carbono após a sinterização para melhorar o desempenho do material.
Aditivos como grafite condutor, nanotubos de carbono ou óxidos metálicos melhoram a condutividade, o desempenho em altas e baixas temperaturas e a estabilidade de ciclagem do produto final.
Secagem por pulverização
Nesta etapa, o solvente presente na pasta resultante do processo de moagem é removido. Isso transforma a pasta em pó seco para o processo subsequente de sinterização. O equipamento utilizado é um secador por pulverização.
A pasta é atomizada em pequenas gotículas por um bocal centrífugo. Essas gotículas entram em contato com ar aquecido, o que evapora o solvente, deixando para trás partículas sólidas em pó. Essas partículas são então coletadas por um separador ciclônico. O processo de secagem por aspersão transforma a pasta em pó seco, pronto para a sinterização.
Sinterização
A mistura de pó passa por uma reação em alta temperatura em um forno protegido com nitrogênio, que é a etapa fundamental do processo. A temperatura e a duração do processo de sinterização afetam diretamente o desempenho do produto final. O equipamento utilizado é tipicamente um forno de rolos, que pode ter vários metros de comprimento.
A principal reação é a seguinte:
FePO₄ + Li₂CO₃ + C₆H₁₂O₆ → LiFePO₄/C + H₂O + CO₂
O pó obtido por secagem por aspersão é colocado em cadinhos e aquecido em um forno sob atmosfera de nitrogênio a temperaturas que variam de 700 a 800 °C por várias horas (geralmente entre 10 e 20 horas). Após o resfriamento, o produto é obtido. Antes da sinterização, o pó tem uma coloração amarelo-clara e, após a sinterização, torna-se um pó preto.
Moagem superfina e remoção de ferro
Após a sinterização, o produto de fosfato de ferro e lítio precisa ser triturado novamente para atingir o tamanho de partícula desejado. Durante o processo de produção, impurezas de ferro podem ser introduzidas. Essas impurezas precisam ser removidas.
Isso pode ser feito utilizando equipamentos como um moinho a jato (moinho de jato de ar) equipado com um dispositivo de remoção de ferro. Os moinhos de jato podem reduzir eficazmente o tamanho das partículas, separando simultaneamente as impurezas. Isto garante que o produto final de fosfato de ferro-lítio tenha um elevado grau de pureza. Após a remoção do ferro, o produto é embalado para envio.
Conclusão
O fosfato de ferro-lítio é o principal material catódico para baterias de lítio. É preferido devido ao seu baixo custo, alta segurança e longa vida útil. Essas características o tornam dominante no mercado. O método de fosfato de ferro é a principal rota de produção para o fosfato de ferro-lítio. Embora o processo seja relativamente simples, a qualidade do produto final depende fortemente da qualidade do precursor de fosfato de ferro.
Outros métodos, como o método do ferro-oxalato, estão gradualmente ganhando participação de mercado. Esses métodos produzem materiais com maior densidade aparente.
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— Publicado por Emily Chen