Avantages et préparation de matériaux ternaires monocristallins à haute teneur en nickel
Lorsque la teneur en nickel du matériau est supérieure ou égale à 0,6, il est défini comme un ternaire à haute teneur en nickel matériau de cathode. Ces dernières années, les matériaux à forte teneur en nickel matériaux pour cathodes ternaires ont fait l'objet d'études approfondies en raison de leur haute densité énergétique et de leur tension de fonctionnement élevée.
Comparaison de matériaux ternaires monocristallins et polycristallins
En fonction de la différence de morphologie microscopique des matériaux, les matériaux ternaires peuvent être divisés en matériaux polycristallins et en matériaux monocristallins.
Le processus de préparation des matériaux polycristallins est relativement mature et stable, et la part de marché actuelle est plus élevée. Les particules secondaires généralement formées par l'agglomération de particules primaires de plus petite taille sont pour la plupart de forme sphérique, la taille des particules est généralement d'environ 10 μm, et il y a un grand nombre de joints de grains à l'intérieur des particules. Les microfissures formées pendant la charge et la décharge des matériaux cathodiques ternaires polycristallins à haute teneur en nickel sont l'un des facteurs importants qui limitent leur application à grande échelle.
Le développement de matériaux ternaires monocristallins peut mieux résoudre les problèmes susmentionnés. Le matériau cathodique ternaire monocristallin est constitué de particules primaires d'un diamètre de 2 à 5 μm. Par rapport aux matériaux polycristallins, il n'y a pas de joints de grains à l'intérieur des matériaux monocristallins, et la résistance mécanique des particules est plus élevée, ce qui réduit considérablement les microfissures causées par les changements de volume anisotropes, et la performance du cycle du matériau est améliorée.
En outre, par rapport aux matériaux polycristallins, les matériaux monocristallins présentent des avantages significatifs en termes de production de gaz, de densité de compactage, de stabilité thermique et de performance du cycle à haute température. À l'heure actuelle, la préparation de matériaux ternaires monocristallins à faible teneur en nickel a accumulé une certaine base de processus, tandis que la préparation de matériaux ternaires monocristallins à forte teneur en nickel se heurte encore à des difficultés.
La synthèse de matériaux cathodiques ternaires à forte teneur en nickel nécessite une température de synthèse plus basse pour maintenir la stabilité structurelle, tandis que la synthèse de matériaux monocristallins nécessite une température élevée et un processus de recuit à long terme. La contradiction entre les deux fait que l'industrialisation des matériaux cathodiques ternaires à haute teneur en nickel monocristallin rencontre des difficultés.
Procédés de préparation d'un matériau cathodique ternaire monocristallin à haute teneur en nickel
Les procédés de préparation courants pour les matériaux cathodiques ternaires monocristallins à haute teneur en nickel comprennent principalement le processus de synthèse à haute température en une seule étape, le processus de synthèse à haute température en plusieurs étapes et le processus de synthèse assisté par des sels fondus.
Processus de synthèse à haute température en une seule étape
L'augmentation de la température de frittage est un moyen efficace de préparer des matériaux monocristallins à gros grains. Une température plus élevée peut effectivement augmenter le taux de migration des ions, favorisant ainsi la croissance des particules. Il convient de noter qu'en augmentant la température de frittage, la quantité de lithium doit également être augmentée pour compenser la volatilisation du lithium pendant le frittage à haute température.
Les grandes particules monocristallines sont difficilement visibles à basse température, mais elles ne peuvent être obtenues qu'à haute température lorsque la teneur en lithium est élevée. Cependant, un excès de lithium augmentera la teneur en lithium résiduel du matériau, ce qui entraînera une augmentation de la production de gaz dans la batterie.
D'une manière générale, la température de frittage des matériaux cathodiques ternaires à forte teneur en nickel sera nettement inférieure à celle des matériaux à faible teneur en nickel. Par exemple, les températures de frittage optimisées pour les matériaux NCM811 et NCM523 sont de 750°C et 900°C, respectivement. La température de frittage du monocristal est respectivement supérieure de 80°C et de 70°C à celle du frittage du matériau polycristallin, et la température de frittage du matériau cathodique ternaire à haute teneur en nickel monocristallin est inférieure à celle du matériau à faible teneur en nickel.
Les matériaux cathodiques ternaires monocristallins à haute teneur en nickel nécessitent une température élevée pendant le processus de frittage, ce qui entraîne non seulement la croissance des particules primaires, mais aussi l'adhérence des particules secondaires, de sorte que le broyage et la pulvérisation sont nécessaires après le frittage.
Processus de synthèse à haute température en plusieurs étapes
Bien que le traitement de recuit puisse résoudre certains problèmes dans la synthèse de matériaux monocristallins, des études ont montré qu'une température excessivement élevée et une teneur excessive en lithium pendant la synthèse de matériaux NCA entraîneront la génération d'hétérophases Li5AlO4. Par conséquent, la méthode de synthèse à haute température en une seule étape est difficilement applicable à la production et à l'application de matériaux cathodiques ternaires monocristallins à haute teneur en nickel.
C'est pourquoi une méthode de synthèse en plusieurs étapes a été mise au point. Dans cette méthode, le précurseur est d'abord mélangé à une faible quantité de lithium, puis fritté à basse température plusieurs fois. Enfin, le lithium restant est ajouté et fritté à haute température.
Procédé de synthèse assisté par des sels fondus
Outre la méthode de synthèse à haute température mentionnée ci-dessus, la méthode des sels fondus est une autre méthode principale pour synthétiser des matériaux cathodiques ternaires monocristallins à haute teneur en nickel. Cette méthode nécessite d'ajouter du sel de lithium plusieurs fois la quantité de précurseur au cours du processus de synthèse.
Le sel de lithium fondu peut promouvoir efficacement la diffusion des atomes, favorisant ainsi la croissance des particules. Il est donc possible de synthétiser des particules de grande taille à une température plus basse, ce qui réduit efficacement le mélange des cations et l'agglomération des particules, mais cette méthode nécessite le nettoyage du sel de lithium après la synthèse.
Un autre avantage considérable de la méthode de frittage par sels fondus est que la morphologie des particules de matériau peut être ajustée par la sélection des sels fondus. Dans le même temps, la quantité redondante de sel de lithium aura également un impact significatif sur le processus de croissance des matériaux monocristallins. Des sels fondus plus nombreux réduiront le mélange des cations, améliorant ainsi la stabilité du cycle du matériau.
Méthode de modification d'un matériau cathodique ternaire monocristallin à haute teneur en nickel
Bien que comparés aux matériaux cathodiques ternaires polycristallins à haute teneur en nickel, les matériaux cathodiques ternaires monocristallins à haute teneur en nickel présentent des avantages significatifs en termes de stabilité de l'interface, de production de gaz, de stabilité thermique et de propriétés mécaniques. Cependant, les problèmes causés par le système à haute teneur en nickel ne peuvent pas être complètement éradiqués par la cristallisation unique, et il y a encore beaucoup de place pour l'amélioration de la performance du NCM monocristallin.
Il est donc nécessaire de modifier le NCM monocristallin pour élargir ses perspectives d'application. Pour la modification des matériaux ternaires monocristallins, vous pouvez également vous référer aux méthodes de modification d'autres matériaux ternaires à forte teneur en nickel. La principale méthode reste le dopage et le revêtement.
Conclusion
Le matériau cathodique ternaire monocristallin à forte teneur en nickel peut avoir à la fois une capacité spécifique élevée et une grande stabilité structurelle. Il s'agit d'un type de matériau cathodique pour les piles électriques qui présente une grande valeur pour la recherche et des perspectives de développement. À l'heure actuelle, la production à grande échelle de matériaux cathodiques ternaires monocristallins à forte teneur en nickel n'a pas encore été réalisée, et la manière d'obtenir un MNC monocristallin de haute performance reste un problème urgent à résoudre.
À ce stade, elle se concentre principalement sur la modification par revêtement et dopage afin d'améliorer ses défauts, tels que la diminution rapide de la capacité et la faible performance en termes de taux, et certains progrès ont été réalisés. On pense qu'avec l'approfondissement continu de la technologie de préparation et l'exploration du mécanisme électrochimique, les matériaux cathodiques ternaires monocristallins à haute teneur en nickel ont de vastes perspectives d'application dans le domaine de l'énergie solaire. entreprises de batteries d'énergie dans le monde à l'avenir.
