Kathodenmaterial
Bei der Herstellung anorganischer Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien wird am häufigsten die Hochtemperatur-Festkörperreaktion eingesetzt. Hochtemperatur-Festkörperreaktion: bezeichnet den Prozess, bei dem die Reaktanten, einschließlich festphasiger Substanzen, für einen bestimmten Zeitraum bei einer bestimmten Temperatur reagieren und durch gegenseitige Diffusion zwischen verschiedenen Elementen chemische Reaktionen auslösen, um bei einer bestimmten Temperatur die stabilsten Verbindungen zu bilden. Dazu gehören Fest-Fest-Reaktionen, Fest-Gas-Reaktionen und Fest-Flüssig-Reaktionen.
Auch bei Anwendung von Sol-Gel-, Kopräzipitations-, Hydrothermal- und Solvothermalverfahren ist in der Regel eine Festphasenreaktion oder ein Festphasensintern bei hohen Temperaturen erforderlich. Denn das Funktionsprinzip von Lithium-Ionen-Batterien erfordert, dass das Elektrodenmaterial wiederholt Lithium aufnehmen und abgeben kann. Daher muss die Gitterstruktur ausreichend stabil sein, was wiederum eine hohe Kristallinität der aktiven Materialien und eine regelmäßige Kristallstruktur erfordert. Dies ist bei niedrigen Temperaturen schwierig zu erreichen, weshalb die Elektrodenmaterialien der aktuell verwendeten Lithium-Ionen-Batterien grundsätzlich durch Hochtemperatur-Festkörperreaktionen hergestellt werden.
Die Produktionslinie zur Verarbeitung von Kathodenmaterial umfasst hauptsächlich ein Mischsystem, ein Sintersystem, ein Zerkleinerungssystem, ein Wasserwaschsystem (nur mit hohem Nickelgehalt), ein Verpackungssystem, ein Pulverfördersystem und ein intelligentes Steuerungssystem.
Bei der Herstellung von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien im Nassmischverfahren treten häufig Trocknungsprobleme auf. Unterschiedliche Lösungsmittel im Nassmischverfahren führen zu unterschiedlichen Trocknungsprozessen und -geräten. Derzeit werden im Nassmischverfahren hauptsächlich zwei Arten von Lösungsmitteln verwendet: nichtwässrige Lösungsmittel, nämlich organische Lösungsmittel wie Ethanol, Aceton usw.; Wasserlösungsmittel. Zu den Trocknungsgeräten für das Nassmischen von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien gehören hauptsächlich Vakuumrotationstrockner, Vakuumrechentrockner, Sprühtrockner und Vakuumbandtrockner.
Die industrielle Produktion von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien erfolgt üblicherweise mittels Hochtemperatur-Festkörpersintersynthese. Kernstück und wichtigstes Gerät ist der Sinterofen. Die Rohstoffe für die Herstellung von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien werden gleichmäßig gemischt und getrocknet, anschließend zum Sintern in den Ofen gegeben und anschließend aus dem Ofen entladen, um den Zerkleinerungs- und Klassifizierungsprozess zu durchlaufen. Für die Herstellung von Kathodenmaterialien sind technische und wirtschaftliche Kennzahlen wie Temperaturregelung, Temperaturgleichmäßigkeit, Atmosphärenkontrolle und -gleichmäßigkeit, Kontinuität, Produktionskapazität, Energieverbrauch und Automatisierungsgrad des Ofens von großer Bedeutung. Die wichtigsten Sinteranlagen zur Herstellung von Kathodenmaterialien sind derzeit Stoßöfen, Rollenöfen und Glockenöfen.
◼ Der Rollenofen ist ein mittelgroßer Tunnelofen mit kontinuierlicher Erwärmung und Sinterung.
◼ Entsprechend der Ofenatmosphäre wird der Rollenofen ebenso wie der Stoßofen in Luftöfen und Atmosphärenöfen unterteilt.
- Luftofen: wird hauptsächlich zum Sintern von Materialien verwendet, die eine oxidierende Atmosphäre erfordern, wie etwa Lithiummanganat-Materialien, Lithiumkobaltoxid-Materialien, ternäre Materialien usw.;
- Atmosphärenofen: Wird hauptsächlich für NCA-Ternärmaterialien, Lithiumeisenphosphat (LFP)-Materialien, Graphitanodenmaterialien und andere Sintermaterialien verwendet, die einen Atmosphärengasschutz (wie N2 oder O2) benötigen.
◼ Der Rollenofen arbeitet mit Rollreibung, sodass die Ofenlänge nicht durch die Antriebskraft beeinflusst wird. Theoretisch ist sie unendlich. Die Eigenschaften der Ofenhohlraumstruktur, die bessere Konsistenz beim Brennen der Produkte und die große Ofenhohlraumstruktur begünstigen die Luftströmung im Ofen sowie die Entwässerung und Entleerung der Produkte. Er ist die bevorzugte Anlage anstelle des Stoßofens, um eine echte Großproduktion zu ermöglichen.
◼ Derzeit werden Lithiumkobaltoxid, Ternärmetall, Lithiummanganat und andere Kathodenmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien in einem Luftrollenofen gesintert, während Lithiumeisenphosphat in einem Rollenofen unter Stickstoffschutz gesintert wird und NCA in einem Rollenofen unter Sauerstoffschutz gesintert wird.
Negatives Elektrodenmaterial
Die wichtigsten Schritte des grundlegenden Prozessablaufs zur Herstellung von künstlichem Graphit umfassen Vorbehandlung, Pyrolyse, Mahlkugeln, Graphitisierung (d. h. Wärmebehandlung, damit die ursprünglich ungeordneten Kohlenstoffatome sauber angeordnet werden und die wichtigsten technischen Verbindungen), Mischen, Beschichten, Mischsieben, Wiegen, Verpacken und Lagern. Alle Vorgänge sind fein und komplex.
◼ Die Granulierung wird in einen Pyrolyseprozess und einen Kugelmahlsiebprozess unterteilt.
Beim Pyrolyseprozess wird Zwischenmaterial 1 in den Reaktor gegeben, die Luft im Reaktor durch N2 ersetzt, der Reaktor verschlossen, entsprechend der Temperaturkurve elektrisch erhitzt, 1 bis 3 Stunden bei 200–300 °C gerührt, dann weiter auf 400–500 °C erhitzt, gerührt, um Material mit einer Partikelgröße von 10–20 mm zu erhalten, die Temperatur gesenkt und es entladen, um Zwischenmaterial 2 zu erhalten. Beim Pyrolyseprozess werden zwei Arten von Geräten verwendet, vertikale Reaktoren und kontinuierliche Granuliergeräte, die beide nach dem gleichen Prinzip funktionieren. Beide rühren oder bewegen sich unter einer bestimmten Temperaturkurve, um die Materialzusammensetzung und die physikalischen und chemischen Eigenschaften im Reaktor zu verändern. Der Unterschied besteht darin, dass der vertikale Kessel eine Kombination aus Heißkessel und Kaltkessel ist. Die Materialkomponenten im Kessel werden durch Rühren entsprechend der Temperaturkurve im Heißkessel verändert. Nach Abschluss wird es zum Abkühlen in den Kühlkessel gegeben und der Heißkessel kann beschickt werden. Kontinuierliche Granulieranlagen ermöglichen einen Dauerbetrieb mit geringem Energieverbrauch und hoher Leistung.
◼ Karbonisierung und Graphitierung sind unverzichtbar. Der Karbonisierungsofen karbonisiert die Materialien bei mittleren und niedrigen Temperaturen. Die Temperatur des Karbonisierungsofens kann 1600 Grad Celsius erreichen und erfüllt damit die Anforderungen der Karbonisierung. Der hochpräzise intelligente Temperaturregler und das automatische SPS-Überwachungssystem sorgen für eine präzise Kontrolle der im Karbonisierungsprozess erzeugten Daten.
Graphitisierungsöfen, darunter horizontale Hochtemperaturöfen, Öfen mit niedriger Entladung, vertikale Öfen usw., platzieren Graphit zum Sintern und Schmelzen in einer Graphit-Heißzone (kohlenstoffhaltige Umgebung), und die Temperatur kann während dieses Zeitraums 3200 °C erreichen.
◼ Beschichtung
Das Zwischenmaterial 4 wird über ein automatisches Fördersystem zum Silo transportiert und dort vom Manipulator automatisch in die Promethium-Box gefüllt. Das automatische Fördersystem transportiert die Promethium-Box zur Beschichtung in den kontinuierlichen Reaktor (Rollenofen). Das Zwischenmaterial 5 wird unter Stickstoffatmosphäre 8 bis 10 Stunden lang gemäß einer Temperaturanstiegskurve auf 1150 °C erhitzt. Der Heizvorgang erfolgt durch indirekte Beheizung der Anlage. Durch die Erwärmung wird der hochwertige Asphalt auf der Oberfläche der Graphitpartikel in eine pyrolytische Kohlenstoffbeschichtung umgewandelt. Während des Erhitzungsprozesses kondensieren die Harze im hochwertigen Asphalt, und die Kristallmorphologie verändert sich (vom amorphen in den kristallinen Zustand). Auf der Oberfläche der natürlichen sphärischen Graphitpartikel bildet sich eine geordnete mikrokristalline Kohlenstoffschicht, und schließlich entsteht ein beschichtetes graphitähnliches Material mit einer Kern-Schale-Struktur.