Ventajas y preparación de materiales ternarios monocristalinos con alto contenido en níquel
Cuando el contenido de níquel en el material es mayor o igual a 0,6, se define como un ternario de alto contenido en níquel material catódico. En los últimos años, el alto contenido en níquel materiales catódicos ternarios se han estudiado ampliamente debido a su alta densidad de energía y alto voltaje de funcionamiento.
Comparación de materiales ternarios monocristalinos y policristalinos
Según la diferencia en la morfología microscópica de los materiales, los materiales ternarios pueden dividirse en materiales policristalinos y materiales monocristalinos.
El proceso de preparación de materiales policristalinos es relativamente maduro y estable, y la cuota de mercado actual es mayor. Las partículas secundarias que suelen formarse por la aglomeración de partículas primarias de menor tamaño tienen en su mayoría forma esférica, el tamaño de partícula suele ser de unos 10 μm, y hay un gran número de límites de grano en el interior de las partículas. Las microfisuras que se forman durante la carga y descarga de los materiales policristalinos de cátodos ternarios con alto contenido en níquel son uno de los factores importantes que restringen su aplicación a gran escala.
El desarrollo de materiales ternarios monocristalinos puede resolver mejor los problemas anteriores. El material catódico ternario monocristalino consiste en partículas primarias con un diámetro de 2-5 μm. En comparación con los materiales policristalinos, no hay límites de grano dentro de los materiales monocristalinos, y la resistencia mecánica de las partículas es mayor, lo que reduce en gran medida las microfisuras causadas por los cambios de volumen anisotrópicos, y se mejora el rendimiento del ciclo del material.
Además, en comparación con los materiales policristalinos, los materiales monocristalinos presentan ventajas significativas en cuanto a producción de gas, densidad de compactación, estabilidad térmica y rendimiento en ciclos de alta temperatura. En la actualidad, la preparación de materiales ternarios monocristalinos con bajo contenido en níquel ha acumulado una cierta base de proceso, mientras que la preparación de monocristales con alto contenido en níquel de materiales ternarios aún se enfrenta a retos.
La síntesis de materiales catódicos ternarios de alto contenido en níquel requiere una temperatura de síntesis más baja para mantener la estabilidad estructural, mientras que la síntesis de materiales monocristalinos requiere una temperatura elevada y un proceso de recocido a largo plazo. La contradicción entre ambos hace que la industrialización de materiales catódicos ternarios monocristalinos de alto contenido en níquel se enfrente a dificultades.
Procesos de preparación de material catódico ternario monocristalino con alto contenido en níquel
Los procesos habituales de preparación de materiales catódicos ternarios monocristalinos de alto contenido en níquel incluyen principalmente el proceso de síntesis a alta temperatura en un solo paso, el proceso de síntesis a alta temperatura en varios pasos y el proceso de síntesis asistida por sales fundidas.
Proceso de síntesis a alta temperatura en un solo paso
Aumentar la temperatura de sinterización es una forma eficaz de preparar materiales monocristalinos de grano grande. Una temperatura más alta puede aumentar eficazmente la velocidad de migración de iones, favoreciendo así el crecimiento de las partículas. Debe tenerse en cuenta que al aumentar la temperatura de sinterización, también debe aumentarse la cantidad de litio para compensar la volatilización de litio durante la sinterización a alta temperatura.
Las partículas grandes de cristal único apenas se ven a baja temperatura, pero las partículas grandes de cristal único sólo pueden obtenerse a alta temperatura cuando el contenido de litio es alto. Sin embargo, un exceso de litio aumentará el contenido residual de litio del material, lo que se traducirá en una mayor producción de gas en la pila.
En general, la temperatura de sinterización de los materiales de cátodo ternario con alto contenido en níquel será significativamente inferior a la de los materiales con bajo contenido en níquel. Por ejemplo, las temperaturas de sinterización optimizadas para los materiales NCM811 y NCM523 son 750°C y 900°C, respectivamente. La temperatura de sinterización del cristal único es 80°C y 70°C superior a la de sinterización del material policristalino, respectivamente, y la temperatura de sinterización del material de cátodo ternario de alto contenido en níquel del cristal único es inferior a la del material de bajo contenido en níquel.
Los materiales de cátodos ternarios monocristalinos con alto contenido en níquel requieren altas temperaturas durante el proceso de sinterización, lo que no sólo hará que las partículas primarias crezcan, sino que también hará que las partículas secundarias se peguen entre sí, por lo que es necesario moler y pulverizar después de la sinterización.
Proceso de síntesis multietapa a alta temperatura
Aunque el tratamiento de recocido puede resolver algunos problemas en la síntesis de materiales monocristalinos, los estudios han demostrado que una temperatura excesivamente alta y un contenido excesivo de litio durante la síntesis de materiales NCA provocarán la generación de heterofase Li5AlO4. Por lo tanto, el método de síntesis de un solo paso a alta temperatura es difícil de aplicar en la producción y aplicación de materiales de cátodo ternario monocristalino con alto contenido en níquel.
Por ello, se ha desarrollado un método de síntesis de varios pasos. En este método, el precursor se mezcla primero con una cantidad menor de litio y se sinteriza a baja temperatura varias veces. Por último, se añade el litio restante y se sinteriza a alta temperatura.
Proceso de síntesis asistido por sales fundidas
Además del método de síntesis a alta temperatura mencionado anteriormente, otro método principal para sintetizar materiales catódicos ternarios monocristalinos con alto contenido en níquel es el método de sales fundidas. Este método necesita añadir sal de litio varias veces la cantidad del precursor durante el proceso de síntesis.
La sal de litio fundida puede promover eficazmente la difusión de átomos, favoreciendo así el crecimiento de las partículas. Por lo tanto, las partículas de gran tamaño pueden sintetizarse a una temperatura más baja, reduciendo así eficazmente la mezcla de cationes y la aglomeración de partículas, pero este método requiere la limpieza de la sal de litio después de la síntesis.
Otra gran ventaja del método de sinterización con sales fundidas es que la morfología de las partículas de material puede ajustarse mediante la selección de la sal fundida. Al mismo tiempo, la cantidad redundante de sal de litio también tendrá un impacto significativo en el proceso de crecimiento de los materiales monocristalinos. Una mayor cantidad de sales fundidas reducirá la mezcla de cationes, mejorando así la estabilidad de ciclo del material.
Método de modificación del material catódico ternario monocristalino con alto contenido en níquel
Aunque en comparación con los materiales policristalinos de cátodo ternario de alto contenido en níquel, los materiales monocristalinos de cátodo ternario de alto contenido en níquel presentan ventajas significativas en cuanto a la estabilidad de la interfaz, la producción de gas, la estabilidad térmica y las propiedades mecánicas. Sin embargo, los problemas causados por el sistema de alto contenido en níquel no pueden erradicarse por completo mediante la cristalización monocristalina, y aún queda mucho margen de mejora en el rendimiento de los NCM monocristalinos.
Por lo tanto, es necesario modificar el NCM monocristalino para ampliar aún más sus perspectivas de aplicación. Para la modificación de los materiales ternarios monocristalinos, también se pueden consultar los métodos de modificación de otros materiales ternarios con alto contenido en níquel. El método principal sigue siendo el dopaje y el recubrimiento.
Conclusión
El material de cátodo ternario monocristalino con alto contenido en níquel puede tener simultáneamente una alta capacidad específica y una gran estabilidad estructural, y es un tipo de material de cátodo para baterías de energía con un gran valor de investigación y perspectivas de desarrollo. En la actualidad, la producción a gran escala de materiales catódicos ternarios monocristalinos con alto contenido en níquel aún no se ha llevado a cabo, y la obtención de NCM monocristalinos de alto rendimiento sigue siendo un problema urgente por resolver.
En la actualidad, se centra principalmente en su modificación mediante recubrimiento y dopaje para mejorar sus deficiencias, como el rápido deterioro de la capacidad y el bajo rendimiento de la tasa, y se han logrado algunos avances. Se cree que, con la continua profundización de la tecnología de preparación y la exploración del mecanismo electroquímico, los materiales de cátodo ternario monocristalino con alto contenido en níquel tienen amplias perspectivas de aplicación en el campo de la energía nuclear. empresas de baterías eléctricas del mundo en el futuro.
