Material del cátodo
En la preparación de materiales de electrodos inorgánicos para baterías de iones de litio, la reacción en estado sólido a alta temperatura es la más utilizada. Reacción en fase sólida a alta temperatura: se refiere al proceso en el que los reactivos, incluidas las sustancias en fase sólida, reaccionan durante un tiempo a una temperatura determinada y producen reacciones químicas mediante la difusión mutua entre diversos elementos para producir los compuestos más estables a una temperatura específica, incluyendo las reacciones sólido-sólido, sólido-gas y sólido-líquido.
Incluso si se utilizan los métodos sol-gel, coprecipitación, hidrotermal y solvotermal, generalmente se requiere una reacción en fase sólida o sinterización en fase sólida a alta temperatura. Esto se debe a que el principio de funcionamiento de las baterías de iones de litio exige que el material de sus electrodos pueda insertar y extraer Li+ repetidamente, por lo que su estructura reticular debe ser lo suficientemente estable, lo que requiere una alta cristalinidad de los materiales activos y una estructura cristalina regular. Esto es difícil de lograr a baja temperatura, por lo que los materiales de los electrodos de las baterías de iones de litio que se utilizan actualmente se obtienen básicamente mediante una reacción en estado sólido a alta temperatura.
La línea de producción de procesamiento de material de cátodo incluye principalmente un sistema de mezcla, un sistema de sinterización, un sistema de trituración, un sistema de lavado con agua (solo con alto contenido de níquel), un sistema de envasado, un sistema de transporte de polvo y un sistema de control inteligente.
El proceso de mezcla húmeda en la producción de materiales para cátodos de baterías de iones de litio suele presentar problemas de secado. Los diferentes disolventes utilizados en este proceso requieren diferentes procesos y equipos de secado. Actualmente, se utilizan principalmente dos tipos de disolventes: disolventes no acuosos, como disolventes orgánicos como el etanol y la acetona, y disolventes acuosos. Los equipos de secado para la mezcla húmeda de materiales para cátodos de baterías de iones de litio incluyen principalmente: secador rotatorio al vacío, secador de rastrillo al vacío, secador por aspersión y secador de banda al vacío.
La producción industrial de materiales catódicos para baterías de iones de litio suele adoptar un proceso de síntesis por sinterización de estado sólido a alta temperatura, cuyo equipo principal es el horno de sinterización. Las materias primas para la producción de materiales catódicos para baterías de iones de litio se mezclan y secan uniformemente, se cargan en el horno para su sinterización y, posteriormente, se descargan para el proceso de trituración y clasificación. Para la producción de materiales catódicos, son fundamentales indicadores técnicos y económicos como el control de temperatura, la uniformidad de la temperatura, el control y la uniformidad de la atmósfera, la continuidad, la capacidad de producción, el consumo energético y el grado de automatización del horno. Actualmente, los principales equipos de sinterización utilizados en la producción de materiales catódicos son el horno de empuje, el horno de rodillos y el horno de campana.
◼ El horno de rodillos es un horno túnel de tamaño medio con calentamiento y sinterización continuos.
◼ Según la atmósfera del horno, al igual que el horno de empuje, el horno de rodillos también se divide en horno de aire y horno de atmósfera.
- Horno de aire: se utiliza principalmente para sinterizar materiales que requieren atmósfera oxidante, como materiales de manganato de litio, materiales de óxido de cobalto y litio, materiales ternarios, etc.
- Horno de atmósfera: se utiliza principalmente para materiales ternarios NCA, materiales de fosfato de hierro y litio (LFP), materiales de ánodo de grafito y otros materiales de sinterización que necesitan protección de gas atmosférico (como N2 u O2).
El horno de rodillos utiliza un proceso de fricción por rodadura, por lo que su longitud no se ve afectada por la fuerza de propulsión. En teoría, puede ser infinita. Las características de la estructura de la cavidad del horno, que proporciona una mejor consistencia durante la cocción de los productos, y su gran tamaño favorecen el flujo de aire en el horno, así como el drenaje y la descarga de caucho de los productos. Es el equipo preferido para reemplazar el horno de empuje y lograr una producción a gran escala.
◼ En la actualidad, el óxido de cobalto y litio, el ternario, el manganato de litio y otros materiales de cátodo de las baterías de iones de litio se sinterizan en un horno de rodillos de aire, mientras que el fosfato de hierro y litio se sinteriza en un horno de rodillos protegido con nitrógeno, y el NCA se sinteriza en un horno de rodillos protegido con oxígeno.
Material del electrodo negativo
Los pasos principales del flujo de proceso básico del grafito artificial incluyen el pretratamiento, la pirólisis, la molienda con bolas, la grafitización (es decir, el tratamiento térmico para ordenar los átomos de carbono originalmente desordenados y los enlaces técnicos clave), la mezcla, el recubrimiento, el cribado de la mezcla, el pesaje, el envasado y el almacenamiento. Todas las operaciones son complejas y precisas.
◼ La granulación se divide en proceso de pirólisis y proceso de cribado mediante molienda de bolas.
En el proceso de pirólisis, coloque el material intermedio 1 en el reactor, reemplace el aire en el reactor con N2, selle el reactor, caliéntelo eléctricamente de acuerdo con la curva de temperatura, agítelo a 200 ~ 300 ℃ durante 1 ~ 3 h, y luego continúe calentándolo a 400 ~ 500 ℃, agítelo para obtener material con un tamaño de partícula de 10 ~ 20 mm, baje la temperatura y descárguelo para obtener el material intermedio 2. Hay dos tipos de equipos utilizados en el proceso de pirólisis, reactor vertical y equipo de granulación continua, ambos con el mismo principio. Ambos agitan o se mueven bajo una cierta curva de temperatura para cambiar la composición del material y las propiedades físicas y químicas en el reactor. La diferencia es que la caldera vertical es un modo de combinación de caldera caliente y caldera fría. Los componentes del material en la caldera se cambian agitando de acuerdo con la curva de temperatura en la caldera caliente. Después de la finalización, se coloca en la caldera de enfriamiento para enfriar, y la caldera caliente puede ser alimentada. El equipo de granulación continua realiza un funcionamiento continuo, con bajo consumo de energía y alto rendimiento.
La carbonización y la grafitización son partes indispensables. El horno de carbonización carboniza los materiales a temperaturas medias y bajas. La temperatura del horno puede alcanzar los 1600 grados Celsius, lo que satisface las necesidades de carbonización. El controlador de temperatura inteligente de alta precisión y el sistema de monitoreo automático PLC permiten controlar con precisión los datos generados durante el proceso de carbonización.
El horno de grafitización, que incluye los de alta temperatura horizontal, descarga inferior, vertical, etc., coloca el grafito en una zona caliente de grafito (entorno que contiene carbono) para sinterizar y fundir, y la temperatura durante este período puede alcanzar los 3200 ℃.
◼ Recubrimiento
El material intermedio 4 se transporta al silo mediante un sistema de transporte automático, y el manipulador lo introduce automáticamente en la caja de prometio. El sistema transporta la caja de prometio al reactor continuo (horno de rodillos) para su recubrimiento. El material intermedio 5 se obtiene bajo la protección de nitrógeno y se calienta a 1150 °C según una curva de aumento de temperatura durante 8 a 10 h. El proceso de calentamiento consiste en calentar el equipo mediante electricidad, de forma indirecta. Este calentamiento transforma el asfalto de alta calidad presente en la superficie de las partículas de grafito en un recubrimiento de carbono pirolítico. Durante el calentamiento, las resinas del asfalto de alta calidad se condensan y la morfología cristalina se transforma (de estado amorfo a cristalino). Se forma una capa de carbono microcristalino ordenada sobre la superficie de las partículas esféricas de grafito natural, obteniendo finalmente un material recubierto similar al grafito con una estructura de "núcleo-capa".