Trong thời đại phát triển nhanh chóng của xe năng lượng mới và công nghệ lưu trữ năng lượng, pin lithium-ion - nguồn năng lượng cốt lõi - đóng vai trò then chốt cho tương lai của ngành. Là "ngôi sao" trong số các vật liệu catốt, Liti Niken Coban Mangan Oxit (NCM) đã trở thành sự lựa chọn hàng đầu cho xe điện và thiết bị điện tử tiêu dùng cao cấp nhờ mật độ năng lượng cao, vòng đời dài và lợi thế về chi phí.
Vật liệu Lithium Nickel Cobalt Manganese Oxide (NCM): Tại sao nó là “Trái tim” của Pin Lithium-Ion
NCM (LiNiₓCoᵧMn₁₋ₓ₋ᵧO₂) là vật liệu oxit ba lớp có những ưu điểm chính:
- Mật độ năng lượng cao – Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ niken (Ni), coban (Co) và mangan (Mn) (ví dụ: NCM523, NCM622, NCM811), có thể kiểm soát chính xác dung lượng và độ ổn định của vật liệu.
- Tối ưu hóa chi phí – Mangan có nhiều và làm giảm lượng coban sử dụng, giúp giảm chi phí vật liệu một cách hiệu quả.
- Cân bằng an toàn – Mangan tăng cường độ ổn định nhiệt, giảm thiểu rủi ro an toàn khi quá tải hoặc điều kiện nhiệt độ cao.
Ứng dụng: Xe điện, thiết bị điện tử 3C, hệ thống lưu trữ năng lượng tại nhà, v.v.
Quá trình tổng hợp NCM đầy đủ: Chuyển đổi từ nguyên tử sang điện cực
Chuẩn bị nguyên liệu thô: Tỷ lệ chính xác là chìa khóa
- Muối kim loại: Sunfat, nitrat hoặc clorua của Ni, Co, Mn (độ tinh khiết cấp công nghiệp ≥99%).
- Nguồn Lithium: Liti hiđroxit (LiOH·H₂O) hoặc liti cacbonat (Li₂CO₃) với nghiêm ngặt kích thước hạt và kiểm soát tạp chất.
- Dung môi và phụ gia: Nước khử ion, dung dịch amoniac (điều chỉnh độ pH) và chất hoạt động bề mặt (để ngăn ngừa hiện tượng kết tụ).
Điểm chính: Tỷ lệ mol của nguyên liệu thô ảnh hưởng trực tiếp đến thành phẩm cuối cùng hóa chất thành phần hóa học và phải được xác minh bằng ICP-OES hoặc các thiết bị tương tự.
Đồng kết tủa: Tạo ra tiền chất ở quy mô nano
Các bước:
- Chuẩn bị dung dịch muối hỗn hợp: Hòa tan muối Ni, Co, Mn theo tỷ lệ cần thiết.
- Kết tủa lò phản ứng: Trong điều kiện bảo vệ bằng nitơ, đưa dung dịch muối và hỗn hợp NaOH/amoniac vào lò phản ứng. Kiểm soát pH (10–12), nhiệt độ (50–60°C) và tốc độ khuấy để tạo ra đồng kết tủa hydroxide hình cầu NiₓCoᵧMn₁₋ₓ₋ᵧ(OH)₂.
- Giặt & Sấy: Rửa sạch bằng nước khử ion, sau đó sấy khô ở nhiệt độ 120°C.
Thách thức kỹ thuật:
- Kiểm soát sự phân bố kích thước hạt (D50: 5–15 μm).
- Tối ưu hóa tính hình cầu (ảnh hưởng lớp phủ sự đồng nhất ở các bước sau).
Phản ứng trạng thái rắn ở nhiệt độ cao: Lithi hóa và kết tinh
Các bước:
- Trộn và xay: Kết hợp tiền chất và nguồn lithium theo tỷ lệ thành phần, thêm thông lượng (ví dụ, LiF), máy nghiền bi đến <1 μm.
- Tiền thiêu kết: Đun nóng trong môi trường oxy ở nhiệt độ 500–600°C trong 4–8 giờ để loại bỏ nước và chất hữu cơ.
- Thiêu kết nhiệt độ cao: Tăng dần nhiệt độ lên 750–1000°C theo từng giai đoạn, giữ trong 10–20 giờ để tạo thành cấu trúc dạng lớp và liti hóa.
- Nghiền & Sàng: Sử dụng máy nghiền phản lực để đạt D50 = 3–8 μm, sàng để loại bỏ các hạt quá khổ.
So sánh quy trình:
- Phương pháp trạng thái rắn truyền thống: Chi phí thấp, kích thước hạt không đồng đều.
- Phương pháp Sol-Gel: Kích thước hạt đồng đều, quy trình phức tạp, chi phí cao.
Sửa đổi bề mặt: “Công nghệ đen” để kéo dài tuổi thọ chu kỳ
- Công nghệ phủ: Sử dụng phương pháp ALD (lắng đọng lớp nguyên tử) hoặc phương pháp hóa học ướt để phủ Al₂O₃, ZrO₂, v.v. để ngăn ngừa sự ăn mòn chất điện phân.
- Biến đổi doping: Bổ sung Al, Mg và các nguyên tố khác để ổn định cấu trúc tinh thể và giảm sự chuyển pha.
Kết quả thực hiện: Vật liệu NCM được phủ có thể duy trì khả năng chịu tải trên 90% sau 500 chu kỳ ở nhiệt độ 45°C (so với 80% không phủ).
Xu hướng tương lai
NCM hàm lượng niken cao: Chuyển từ NCM811 sang NCM9½½, đẩy mật độ năng lượng lên trên 300 Wh/kg.
NCM đơn tinh thể: Kiểm soát các điều kiện thiêu kết để sản xuất NCM đơn tinh thể, giảm gãy hạt và phản ứng phụ.
Vật liệu không chứa Coban: Phát triển vật liệu giàu mangan (LMR) để loại bỏ sự phụ thuộc vào coban.
Bột Epic
Với hơn 20 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực nghiền và phân loại siêu mịn, Epic Powder cung cấp thiết bị nghiền, phân loại và xử lý bề mặt tiên tiến, được thiết kế riêng cho sản xuất vật liệu cực âm Lithium Nickel Cobalt Manganese Oxide (NCM). Từ quá trình nghiền tiền chất chính xác đến việc định hình hạt được kiểm soát, Epic Powder đảm bảo phân bố kích thước hạt đồng đều, tối ưu hóa đặc tính bề mặt và nâng cao hiệu suất điện hóa - giúp các nhà sản xuất pin đạt được mật độ năng lượng cao hơn, tuổi thọ chu kỳ dài hơn và hiệu quả sản xuất cao hơn.