Với sự phát triển không ngừng của công nghệ tiên tiến, bột gốm sứ cao cấp và các sản phẩm từ gốm sứ đã trở thành vật liệu then chốt và là nút thắt cổ chai trong một số lĩnh vực công nghệ cao. Trong... ngành công nghiệp pin lithium, Một số vật liệu gốm đóng vai trò quan trọng trong chuỗi sản xuất của nó. Những vật liệu này có thể trực tiếp được sử dụng làm điện cực hoặc vật liệu phân tách, được dùng làm vật liệu đóng gói, hoặc đóng vai trò là vật liệu phụ trợ trong quá trình sản xuất. Thị trường vật liệu gốm này đang bùng nổ do nhu cầu từ ngành công nghiệp pin lithium. Hôm nay, chúng ta hãy cùng tìm hiểu kỹ hơn về những vật liệu nào... vật liệu gốm cần thiết để sản xuất pin lithium.
Pin lithium-ion chủ yếu bao gồm năm thành phần: vật liệu catốt, vật liệu anốt, màng ngăn, chất điện giải và vật liệu đóng gói. Trong đó, màng ngăn là bộ phận đòi hỏi kỹ thuật cao nhất. vật liệu pin, Với chi phí từ 10% đến 14%, chỉ đứng sau vật liệu cực âm. Trong các loại pin cao cấp, chi phí màng ngăn thậm chí có thể lên tới 20%.
Nhược điểm của máy tách truyền thống
Các màng ngăn pin lithium-ion được thương mại hóa chủ yếu là màng vi xốp làm từ polyetylen (PE) hoặc polypropylen (PP). Các màng ngăn polyolefin này có một số nhược điểm. Một mặt, khi nhiệt độ bên ngoài đạt hoặc vượt quá điểm nóng chảy của màng ngăn, màng ngăn có thể bị co lại hoặc tan chảy, dẫn đến hiện tượng quá nhiệt hoặc đoản mạch bên trong pin. Do đó, việc duy trì kích thước và hình dạng của màng ngăn là rất quan trọng để cải thiện độ an toàn của pin. Mặt khác, vì cực tính của màng ngăn polyolefin không phù hợp với chất điện giải hữu cơ, màng ngăn có khả năng thấm ướt chất điện giải kém, điều này có nghĩa là trong các chu kỳ sạc-xả lặp đi lặp lại, khả năng giữ chất điện giải không phải nước của màng ngăn yếu, do đó ảnh hưởng đến hiệu suất chu kỳ của pin.
Ưu điểm của màng ngăn gốm và các vật liệu tiêu biểu
Hiện nay, màng ngăn gốm có thể được chia thành hai loại dựa trên phương pháp chế tạo. Một phương pháp sử dụng màng ngăn polyolefin truyền thống hoặc vải không dệt làm màng nền. Một lớp gốm được thêm vào. lớp phủ Sau đó, vật liệu được ứng dụng bằng các phương pháp như liên kết, ép nóng hoặc ghép. Phương pháp khác liên quan đến việc trộn các hạt gốm kích thước nano vào vật liệu hữu cơ để tạo thành hỗn hợp sệt. Hỗn hợp sệt này sau đó được kéo giãn thành màng hoặc dệt thành vải không dệt.
Với sự phổ biến rộng rãi của máy tính bảng và xe điện, các màng ngăn polyolefin truyền thống không còn đáp ứng được yêu cầu về điện áp cao và mật độ năng lượng cao. Điều này là do hiệu suất kém của chúng về khả năng chịu áp suất và nhiệt độ cao. Bằng cách sử dụng công nghệ phủ màng ngăn, lớp phủ gốm có thể ngăn chặn sự giãn nở của các điểm quá nhiệt trong pin. Điều này đảm bảo an toàn tốt hơn. Cấu trúc độc đáo của vật liệu vô cơ cũng cải thiện khả năng chống co ngót do nhiệt của màng ngăn. Ngoài ra, lớp phủ gốm có đặc tính ưa nước. Những đặc tính này tăng cường khả năng hấp thụ chất điện giải, có thể cải thiện tính đồng đều của sự phân bố dòng điện trong pin trong suốt chu kỳ sạc và xả.
Các vật liệu phân tách gốm được nghiên cứu rộng rãi nhất là alumina tinh khiết cao (Al2O3) và boehmite (AlOOH).
Nhôm oxit (Al2O3) có độ tinh khiết cao
Nhôm oxit là một hợp chất có độ cứng cao với điểm nóng chảy là 2054°C và điểm sôi là 2980°C. Nó là một tinh thể liên kết ion có độ ổn định nhiệt cao. hóa chất Tính trơ, khiến nó trở thành lựa chọn tuyệt vời cho lớp phủ gốm trên màng ngăn pin. Những ưu điểm của alumina có độ tinh khiết cao bao gồm:
- Tuổi thọ chu kỳ dàiNó giúp giảm thiểu hiện tượng đoản mạch cơ học trong quá trình chu kỳ sạc/xả, từ đó nâng cao hiệu quả tuổi thọ chu kỳ.
- Hiệu suất tốc độ caoNano alumina có độ tinh khiết cao có thể tạo thành dung dịch rắn trong pin lithium, giúp cải thiện hiệu suất tốc độ và độ ổn định chu kỳ.
- Khả năng dẫn nhiệt tuyệt vờiNano alumina có độ tinh khiết cao sở hữu khả năng dẫn nhiệt tuyệt vời, giúp truyền nhiệt khi nhiệt độ pin tăng lên, giải quyết vấn đề dẫn nhiệt kém của vật liệu PP/PE.
- Khả năng thấm ướt tốtBột nano alumina có khả năng hấp thụ và giữ chất điện giải tốt.
- Khả năng chống cháy tuyệt vờiNhôm oxit là một vật liệu chống cháy tuyệt vời. Ngay cả ở nhiệt độ cao, đặc tính chống cháy vượt trội của nó có thể ngăn chặn sự cháy lan rộng hoặc thậm chí là nổ.
- Chặn dòng điệnTrong trường hợp dòng điện quá cao, alumina có độ tinh khiết cao có thể chặn dòng điện, ngăn ngừa hiện tượng đoản mạch có thể xảy ra do nhiệt độ quá cao làm tan chảy màng ngăn.
Boehmite (AlOOH)
Boehmite nguyên chất có màu trắng, cấu trúc tinh thể đơn nghiêng, thuộc hệ tinh thể trực giao. Nó có độ cứng Mohs từ 3-3,5 và tỷ trọng riêng từ 3,0-3,07. Boehmite là tiền chất của γ-Al2O3 và được sử dụng trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như vật liệu gốm, vật liệu composite, lớp phủ bảo vệ bề mặt, vật liệu quang học, chất xúc tác và vật liệu bán dẫn.
So với alumina, boehmite có những ưu điểm sau:
- Độ cứng thấp hơnBoehmite có độ cứng thấp hơn, giúp giảm mài mòn cơ học trong quá trình cắt và phủ, do đó tiết kiệm chi phí hơn so với alumina có độ tinh khiết cao.
- Khả năng chịu nhiệt caoBoehmite có độ ổn định nhiệt tuyệt vời và khả năng tương thích tốt với các vật liệu hữu cơ.
- Mật độ thấp hơnVới cùng trọng lượng, boehmite có thể bao phủ diện tích lớn hơn alumina 25%.
- Độ đồng đều lớp phủ tốt hơnLớp phủ Boehmite có độ đồng nhất cao hơn, dẫn đến điện trở nội bộ thấp hơn.
- Tiêu thụ năng lượng thấp hơnQuy trình sản xuất boehmite tiết kiệm năng lượng hơn và thân thiện với môi trường hơn.
- Khả năng hấp thụ nước thấp hơnBoehmite chỉ hấp thụ một nửa lượng nước so với alumina có độ tinh khiết cao.
- Sản xuất đơn giản hơnViệc điều chế boehmite đơn giản hơn so với việc điều chế alumina có độ tinh khiết cao, vốn đòi hỏi các công đoạn nung, nghiền và phân loại.
- Dễ thay thế hơnViệc chuyển sang sử dụng boehmite không đòi hỏi những thay đổi đáng kể về thiết bị hoặc quy trình của các nhà sản xuất thiết bị tách, và gây ra ít hư hại hơn cho thiết bị.
Chất phụ gia catốt – Oxit Zirconium (ZrO2)
Việc ứng dụng các sản phẩm oxit zirconi (ZrO2) kích thước nano trong lĩnh vực năng lượng mới đang ngày càng mở rộng, với nhiều thiết kế pin lithium tích hợp bột oxit zirconi làm chất phụ gia catốt để ổn định hiệu suất pin và tăng tuổi thọ chu kỳ. Lấy pin lithium niken-cobalt-mangan (LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2) làm ví dụ, chúng ta hãy cùng xem oxit zirconi kích thước nano ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất của vật liệu catốt.
Hiệu ứng cấu trúc
Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) của LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 được pha tạp ZrO2 cho thấy việc bổ sung ZrO2 không làm thay đổi cấu trúc tổng thể của vật liệu, vẫn giữ nguyên cấu trúc lớp lục giác kiểu α-NaFeO2 đặc trưng của vật liệu.
Hiệu ứng hình thái
Khi nồng độ pha tạp ZrO2 tăng lên, kích thước của các hạt sơ cấp giảm từ các hạt khối đều đặn ban đầu có kích thước 200–400nm xuống còn các cụm dày đặc có kích thước 100–200nm. Các hạt lớn được hình thành do sự kết tụ của các hạt sơ cấp giảm xuống còn 1–2μm. Hình dạng cầu của các hạt trở nên ít rõ rệt hơn khi pha tạp, điều này tạo điều kiện thuận lợi hơn cho sự khuếch tán ion liti.
Hiệu ứng điện hóa
Nghiên cứu chỉ ra rằng vật liệu pha tạp ZrO2 thể hiện dung lượng phóng điện cao hơn so với LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 ban đầu. Điều này có thể là do kích thước nhỏ hơn của các hạt nano ZrO2. kích thước hạt, Điều này giúp rút ngắn đường khuếch tán ion liti và cải thiện hiệu suất điện hóa. Hơn nữa, các ion Zr4+ có thể di chuyển lên bề mặt và tạo thành dung dịch rắn, giúp ngăn ngừa sự sụp đổ cấu trúc trong các chu kỳ sạc-xả và bảo vệ vật liệu khỏi sự hòa tan coban, cải thiện độ ổn định chu kỳ.
Thiêu kết vật liệu catốt – Thiết bị lò nung gốm
Với nhu cầu ngày càng tăng đối với pin xe điện, nhu cầu về vật liệu catốt đã tăng vọt, thúc đẩy các nhà sản xuất lò nung trong nước nâng cấp thiết bị sản xuất. Các vật liệu như gốm silicon carbide và gốm cordierite-mullite đã chứng kiến sự gia tăng đáng kể về nhu cầu.
Tấm đẩy
Các tấm đẩy thường dùng được làm từ cacbua silic và mullit corundum, trong đó tấm cacbua silic chủ yếu được sử dụng cho lò nung nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, quá trình oxy hóa của chúng ở nhiệt độ trên 1300°C hạn chế ứng dụng của chúng.
Nồi nấu kim loại
Về vật liệu nồi nung, người ta sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau để thiêu kết vật liệu catốt. Nồi nung cordierite-mullite được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực vật liệu catốt pin lithium nhờ khả năng chịu sốc nhiệt tuyệt vời và hiệu quả về chi phí.
Con lăn
Các con lăn được sử dụng trong lò nung con lăn, thường được dùng trong quá trình thiêu kết vật liệu catốt của pin lithium-ion, phải chịu được nhiệt độ cao và có khả năng chống biến dạng dão. Các vật liệu thường được sử dụng cho con lăn gốm bao gồm corundum, aluminosilicat, silica nung chảy và silicon carbide.
Các vật liệu gốm khác cho pin lithium
Ngoài ra, các loại bột gốm hoặc sản phẩm gốm khác cũng được sử dụng trong quá trình chế tạo hoặc lắp ráp pin lithium. Ví dụ, alumina siêu mịn có độ tinh khiết cao được sử dụng làm chất phụ gia catốt, đóng vai trò trong lớp phủ và pha tạp. Bột vi mô silicon carbide có thể được kết hợp với than chì, ống nano carbon hoặc nano-titanium nitride để tạo thành vật liệu anốt. Sự kết hợp này giúp cải thiện dung lượng và tuổi thọ của pin. Trong quá trình niêm phong pin lithium, vòng gốm điện tử là thành phần thiết yếu. Những vòng này còn được gọi là "đầu nối niêm phong gốm pin điện kiểu mới". Chúng tạo ra một kết nối dẫn điện kín giữa nắp pin và các cực trong xe điện.
Phần kết luận
Với sự phát triển không ngừng của các công nghệ và vật liệu tiên tiến, nhiều vật liệu gốm dùng trong pin lithium có khả năng sẽ được ứng dụng rộng rãi hơn trong pin lithium và toàn bộ lĩnh vực năng lượng mới trong tương lai.
Cảm ơn bạn đã đọc. Tôi hy vọng bài viết của tôi hữu ích. Vui lòng để lại bình luận bên dưới. Bạn cũng có thể liên hệ với bộ phận chăm sóc khách hàng trực tuyến của Zelda nếu có bất kỳ thắc mắc nào khác.
— Đăng bởi Emily Chen