ในยุคที่ยานยนต์พลังงานใหม่และเทคโนโลยีการกักเก็บพลังงานเติบโตอย่างรวดเร็ว แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนซึ่งทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานหลัก มีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออนาคตของอุตสาหกรรม ในฐานะ “ผู้เล่นหลัก” ในบรรดาวัสดุแคโทด ลิเธียมนิกเกิลโคบอลต์แมงกานีสออกไซด์ (NCM) ได้กลายเป็นตัวเลือกแรกสำหรับยานยนต์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคระดับไฮเอนด์ เนื่องจากมีความหนาแน่นของพลังงานสูง อายุการใช้งานยาวนาน และมีข้อได้เปรียบด้านต้นทุน
วัสดุลิเธียมนิกเกิลโคบอลต์แมงกานีสออกไซด์ (NCM): เหตุใดจึงเป็น "หัวใจ" ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
NCM (LiNiₓCoᵧMn₁₋ₓ₋ᵧO₂) เป็นวัสดุออกไซด์เทอร์นารีแบบหลายชั้นซึ่งมีข้อดีหลักๆ ดังนี้:
- ความหนาแน่นพลังงานสูง – การปรับอัตราส่วนของนิกเกิล (Ni) โคบอลต์ (Co) และแมงกานีส (Mn) (เช่น NCM523, NCM622, NCM811) ช่วยให้สามารถควบคุมความจุและความเสถียรของวัสดุได้อย่างแม่นยำ
- การเพิ่มประสิทธิภาพต้นทุน – แมงกานีสมีมากและลดการใช้โคบอลต์ ทำให้ต้นทุนวัตถุดิบลดลงอย่างมีประสิทธิภาพ
- สมดุลความปลอดภัย – แมงกานีสช่วยเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อน ลดความเสี่ยงด้านความปลอดภัยภายใต้สภาวะการชาร์จมากเกินไปหรืออุณหภูมิสูง
การใช้งาน: ยานยนต์ไฟฟ้า, อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ 3C, ระบบกักเก็บพลังงานภายในบ้าน และอื่นๆ อีกมากมาย
กระบวนการสังเคราะห์ NCM เต็มรูปแบบ: การเปลี่ยนจากอะตอมเป็นอิเล็กโทรด
การเตรียมวัตถุดิบ: อัตราส่วนความแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญ
- เกลือโลหะ: ซัลเฟต ไนเตรต หรือคลอไรด์ของ Ni, Co, Mn (ความบริสุทธิ์ระดับอุตสาหกรรม ≥99%)
- แหล่งลิเธียม: ลิเธียมไฮดรอกไซด์ (LiOH·H₂O) หรือ ลิเธียมคาร์บอเนต (Li₂CO₃) ด้วยความเข้มงวด ขนาดอนุภาค และการควบคุมสิ่งเจือปน
- ตัวทำละลายและสารเติมแต่ง: น้ำปราศจากไอออน สารละลายแอมโมเนีย (ปรับค่า pH) และสารลดแรงตึงผิว (เพื่อป้องกันการเกาะตัวเป็นก้อน)
ประเด็นสำคัญ: อัตราส่วนโมลาร์ของวัตถุดิบส่งผลโดยตรงต่อผลลัพธ์ขั้นสุดท้าย เคมี องค์ประกอบทางเคมีและต้องได้รับการตรวจยืนยันด้วย ICP-OES หรือเครื่องมือที่คล้ายคลึงกัน
การตกตะกอนร่วม: การสร้างสารตั้งต้นในระดับนาโน
ขั้นตอน:
- เตรียมสารละลายเกลือผสม: ละลายเกลือ Ni, Co, Mn ในสัดส่วนที่ต้องการ
- การตกตะกอนของเครื่องปฏิกรณ์: ภายใต้การป้องกันไนโตรเจน ให้ป้อนสารละลายเกลือและส่วนผสมของ NaOH/แอมโมเนียเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ ควบคุมค่า pH (10–12) อุณหภูมิ (50–60°C) และความเร็วในการกวน เพื่อให้ได้สารตกตะกอนร่วมไฮดรอกไซด์ทรงกลม NiₓCoᵧMn₁₋ₓ₋ᵧ(OH)₂
- การซักและการอบแห้ง: ล้างให้สะอาดด้วยน้ำดีไอออน แล้วเช็ดให้แห้งที่อุณหภูมิ 120°C
ความท้าทายทางเทคนิค:
- การควบคุมการกระจายขนาดอนุภาค (D50: 5–15 μm)
- การปรับปรุงความเป็นทรงกลม (ส่งผลต่อ การเคลือบ ความสม่ำเสมอในขั้นตอนต่อไป)
ปฏิกิริยาของแข็งที่อุณหภูมิสูง: การเกิดลิเธียมและการตกผลึก
ขั้นตอน:
- การผสมและการสี: รวมสารตั้งต้นและแหล่งลิเธียมในอัตราส่วนสโตอิชิโอเมตริก เพิ่มฟลักซ์ (เช่น LiF) โรงงานลูกบอล ถึง <1 μm.
- การเผาล่วงหน้า: ให้ความร้อนในบรรยากาศออกซิเจนที่อุณหภูมิ 500–600°C เป็นเวลา 4–8 ชั่วโมง เพื่อกำจัดน้ำและสารอินทรีย์ออกไป
- การเผาที่อุณหภูมิสูง: เพิ่มอุณหภูมิเป็น 750–1000°C เป็นระยะๆ ยึดไว้ 10–20 ชั่วโมงเพื่อให้เกิดการแข็งตัวและการสร้างโครงสร้างเป็นชั้น
- การบดและการร่อน: ใช้ การกัดด้วยเจ็ท เพื่อให้ได้ D50 = 3–8 μm ให้ใช้ตะแกรงร่อนเพื่อกำจัดอนุภาคที่มีขนาดใหญ่เกินไป
การเปรียบเทียบกระบวนการ:
- วิธีโซลิดสเตตแบบดั้งเดิม: ต้นทุนต่ำ ขนาดอนุภาคไม่สม่ำเสมอ
- วิธี Sol-Gel: ขนาดอนุภาคสม่ำเสมอ กระบวนการที่ซับซ้อน ต้นทุนสูง
การปรับเปลี่ยนพื้นผิว: “เทคโนโลยีสีดำ” เพื่ออายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น
- เทคโนโลยีการเคลือบ: ใช้ ALD (Atomic Layer Deposition) หรือวิธีเคมีแบบเปียกเพื่อเคลือบ Al₂O₃, ZrO₂ ฯลฯ เพื่อป้องกันการกัดกร่อนของอิเล็กโทรไลต์
- การปรับเปลี่ยนการใช้สารกระตุ้น: แนะนำ Al, Mg และธาตุอื่นๆ เพื่อทำให้โครงสร้างผลึกมีเสถียรภาพและลดการเปลี่ยนเฟส
ผลการดำเนินงาน: วัสดุ NCM เคลือบสามารถรักษาระดับความจุไว้ได้เหนือ 90% หลังจาก 500 รอบที่อุณหภูมิ 45°C (เมื่อเปรียบเทียบกับ 80% ที่ไม่ได้เคลือบ)
แนวโน้มในอนาคต
NCM นิกเกิลสูง: การเปลี่ยนจาก NCM811 ไปเป็น NCM9½½ ผลักดันความหนาแน่นของพลังงานให้สูงกว่า 300 Wh/kg
NCM แบบผลึกเดี่ยว: การควบคุมสภาวะการเผาเพื่อผลิต NCM ผลึกเดี่ยว ลดการแตกของอนุภาคและปฏิกิริยาข้างเคียง
วัสดุที่ปราศจากโคบอลต์: การพัฒนาวัสดุที่มีแมงกานีสสูงจากลิเธียม (LMR) เพื่อขจัดการพึ่งพาโคบอลต์
ผงมหากาพย์
ด้วยความเชี่ยวชาญกว่า 20 ปีด้านการบดละเอียดพิเศษและการจำแนกประเภท Epic Powder นำเสนออุปกรณ์บดละเอียด การจำแนกประเภท และการปรับพื้นผิวขั้นสูงที่ออกแบบมาเพื่อการผลิตวัสดุลิเธียมนิกเกิลโคบอลต์แมงกานีสออกไซด์ (NCM) :แคโทด ตั้งแต่การบดสารตั้งต้นที่แม่นยำไปจนถึงการขึ้นรูปอนุภาคที่ควบคุมได้ Epic Powder รับประกันการกระจายขนาดอนุภาคที่สม่ำเสมอ คุณสมบัติพื้นผิวที่เหมาะสมที่สุด และประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าที่ดีขึ้น ช่วยให้ผู้ผลิตแบตเตอรี่บรรลุความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น และประสิทธิภาพการผลิตที่สูงขึ้น