Quels sont les équipements clés pour l'industrialisation du matériau cathodique ternaire pour les batteries au lithium ?
Communs batterie lithium-ion Les matériaux de cathode sont le lithium acide de cobalt, le lithium acide de manganèse, le phosphate de fer de lithium et le phosphate de cuivre. matériau de cathode ternaireLe matériau cathodique ternaire présente un meilleur équilibre entre le coût, la densité énergétique, le cycle et les avantages en matière de sécurité, et devient le principal choix pour les voitures électriques, les vélos électriques et d'autres produits, en particulier dans le domaine des voitures particulières.
Les performances et le coût du matériau cathodique ternaire dépendent principalement de la sélection de la technologie de production et de l'équipement clé. Par rapport aux fabricants de batteries lithium-ion au Japon et en Corée du Sud, le niveau de technologie et d'équipement de production de la Chine est loin de celui du Japon et de la Corée du Sud, qui ont un besoin urgent de transformation et de mise à niveau. Quels sont donc les principaux équipements utilisés dans la production de matériaux cathodiques ternaires ?
Production industrielle de matériau cathodique ternaire
À l'heure actuelle, la principale technologie de production utilisée dans la production industrielle de matériau cathodique ternaire est la suivante : méthode de coprécipitation pour préparer le précurseur, puis frittage en phase solide du matériau cathodique ternaire mélangé à la source de lithium.
Préparation de l'équipement clé du précurseur
- La bouilloire de réaction
Le réacteur est l'équipement central de la réaction des précurseurs. Les caractéristiques de la structure du corps du réacteur, la forme de l'agitateur, le nombre et la taille des chicanes, la présence ou non d'un tube de dérivation, la position d'alimentation, la présence ou non d'un dispositif de renforcement affecteront la densité, la morphologie, la surface spécifique, le degré de cristallisation, la taille des particules et la distribution du précurseur.
- Équipements de filtration et de lavage
La fonction de l'équipement de filtration et de lavage est de réaliser la séparation solide-liquide de la boue de précurseur obtenue par la réaction, puis le liquide de lavage est utilisé pour laver le gâteau de filtre de précurseur et éliminer les ions de sulfate, de chlorure et de sodium restant dans le gâteau de filtre.
Actuellement, la plupart des fabricants de précurseurs utilisent des équipements intégrés de filtration et de lavage, comprenant principalement des filtres-presses, des centrifugeuses, des filtres microporeux, des équipements de filtration et de lavage "deux en un", etc.
- Équipement de séchage
Le processus de séchage détermine la teneur en humidité des produits précurseurs et a un certain impact sur la structure cristalline. Il s'agit donc d'un processus important. La sélection correcte de l'équipement de séchage est directement liée à la qualité du produit, à l'environnement d'exploitation et au coût de production. La température de séchage du gâteau de filtre de précurseur dans l'air doit être inférieure à 150℃. Lorsque la température atteint 400℃, le précurseur est oxydé en oxyde trivalent.
Actuellement, les équipements de séchage des précurseurs les plus couramment utilisés sont les fours à circulation d'air chaud, les sécheurs à disques, les sécheurs flash, les sécheurs à tambour rotatif, etc.
Équipement clé pour la production de matériaux cathodiques ternaires
- Équipement de mélange
Dans la production de matériaux cathodiques ternaires, le mélange consiste à ajouter un rapport stœchiométrique de sels de lithium, de précurseurs et d'additifs dans l'équipement de mélange afin d'obtenir un mélange uniforme. L'uniformité affectera l'uniformité du lithium et des additifs dans le processus de frittage, affectera directement le degré de cristallisation et l'alcali résiduel du matériau cathodique ternaire, ce qui se reflétera finalement dans les propriétés électriques.
La stabilité du rapport final de lithium du matériau cathodique ternaire dépend de la précision du pesage des matières premières et l'uniformité dépend de l'effet de mélange du mélangeur.
Le mélange est généralement divisé en mélange humide et mélange sec, le matériau cathodique ternaire adopte généralement le mélange sec. À l'heure actuelle, l'équipement de mélange du matériau cathodique ternaire couramment utilisé est le mélangeur incliné, le mélangeur à grande vitesse, le mélangeur en V, le mélangeur volant à lame de charrue, etc.
- Équipement de frittage
L'équipement de frittage est l'équipement de base pour la préparation du matériau cathodique ternaire, et se réfère principalement au four. Sa structure a une grande influence sur les propriétés physiques et électrochimiques du matériau cathodique ternaire. Actuellement, la production industrielle de matériaux cathodiques ternaires adopte principalement des fours à plaques et des fours à rouleaux, parmi lesquels le four à rouleaux est le plus largement utilisé.
La température de frittage du matériau de la cathode ternaire est le paramètre le plus important du processus, qui peut affecter la plupart des propriétés du matériau. Par conséquent, le matériau cathodique ternaire a des exigences élevées en matière de stabilité et de précision de la température du four, et le système de contrôle de la température est crucial pour le frittage du matériau cathodique ternaire.
- Matériel de concassage
Dans la production de matériaux cathodiques ternaires, en raison de l'agglomération et de l'adhésion entre les particules de matériau fritté, il est nécessaire d'utiliser un équipement de concassage pour dissocier le matériau fritté, afin de contrôler la taille et la distribution des particules de la poudre. La taille des particules et leur distribution affectent la surface spécifique, la densité de vibration, la densité de compactage, la performance d'usinage et la performance électrochimique du matériau de cathode ternaire, qui sont très importantes pour la qualité des produits finis.
Le concassage du matériau de cathode ternaire est généralement le matériau de frittage pour le concassage grossier, puis le broyage. L'équipement de concassage grossier utilise généralement un concasseur à mâchoires ou un concasseur à cylindres ; l'équipement de broyage adopte généralement un broyeur à air, un broyeur mécanique, un broyeur colloïdal, qui détermine directement le degré de broyage du matériau cathodique ternaire.
- Équipement de déferrisation
Les corps étrangers métalliques dans les matériaux terpolymères doivent être contrôlés au niveau de dizaines de PPB (1ppb=1×10-9m). Une quantité excessive de corps étrangers métalliques entraînera un taux d'autodécharge élevé des piles et affectera même le fonctionnement de la batterie. sécurité des batteries lithium-ion.
Les corps étrangers métalliques du matériau cathodique ternaire proviennent principalement des matières premières et de l'usure de l'équipement dans le processus de production, et sont essentiellement des impuretés métalliques magnétiques, en particulier du fer. Par conséquent, le processus de production doit éliminer le fer une ou plusieurs fois pour les produits finis. Les équipements de déferrisation couramment utilisés sont les déferriseurs électromagnétiques et les déferriseurs à aimant permanent.
L'amélioration de la qualité du développement de l'industrie des batteries lithium-ion ne peut pas laisser de côté le matériau, et dans l'ensemble, le matériau de la cathode ternaire se développe dans le sens d'un nickel élevé.
La ligne de production doit atteindre un niveau d'automatisation plus élevé, en particulier dans l'atelier de production où le contrôle de la température et de l'humidité de l'atmosphère doit être renforcé. L'équipement d'industrialisation du matériau cathodique ternaire évoluera progressivement vers l'intelligence, la grande capacité, la faible consommation d'énergie et le respect de l'environnement, afin de répondre aux exigences de haute performance et de faible coût du matériau cathodique ternaire pour les batteries d'énergie.
Comparer les différences entre les entreprises de matériaux cathodiques ternaires
Dans la partie suivante, nous parlerons des différences entre les entreprises de matériaux cathodiques ternaires du point de vue de la recherche et du développement de brevets.
Le processus de modification de la cathode présente de fortes propriétés non standard.
En raison des caractéristiques structurelles du matériau cathodique ternaire, la densité énergétique augmente avec la teneur en nickel, mais la stabilité du cycle et la stabilité thermique se dégradent.
La manière d'atteindre l'équilibre entre la densité énergétique, la performance en cyclage et la stabilité thermique a toujours été un sujet d'exploration dans l'industrie. Le revêtement de surface, le dopage, le monocristal et le contrôle de la structure (structure cœur-coquille, concentration à gradient) comblent dans une certaine mesure les lacunes du matériau cathodique ternaire.
La combinaison et l'application de chaque processus de modification reflètent les attributs non standard des produits de l'industrie, et chaque fabricant de cathodes a ses propres solutions uniques. L'accumulation des avantages particuliers du processus de modification finira par se refléter dans la différence de qualité des produits, qui constitue la barrière concurrentielle des entreprises de premier plan.
Parmi eux, le processus de modification ternaire de la cathode le plus couramment utilisé est le processus de revêtement et de dopage, dont le principe et la fonction sont brièvement présentés :
Le revêtement de surface peut stabiliser efficacement la structure du matériau à haute teneur en nickel. En réduisant la surface de contact entre le matériau d'électrode et l'électrolyte, la technologie du revêtement de surface peut réduire la réaction secondaire entre l'impureté à la surface du matériau et l'électrolyte, améliorer la conductivité électronique de la surface du matériau de cathode ternaire et améliorer la stabilité cyclique du matériau. Les matériaux de revêtement de surface courants comprennent l'oxyde métallique, le phosphate et d'autres matériaux d'électrode stables.
Selon l'analyse expérimentale, la stabilité cyclique et la stabilité thermique des matériaux à haute teneur en Ni sont améliorées de manière significative par le revêtement de surface. Les propriétés chimiques du NCM811 non revêtu et du NCM811 revêtu d'une nanocouche de Li2MnO3 ont été comparées et analysées :
(1) la vitesse de diffusion des ions lithium du NCM811 revêtu était plus élevée, et il présentait donc une plus grande multiplicité ; (2) la température de décomposition thermique du NCM811 modifié est de 256,2 degrés, plus élevée que celle du NCM811 pur (242,6 degrés), ce qui indique que le NCM811 modifié permet d'améliorer la stabilité thermique du matériau ; (3) la stabilité cyclique du NCM811 a été considérablement améliorée après le revêtement, car le processus de revêtement a réduit efficacement la réaction entre les impuretés de surface du NCM811 et l'électrolyte.
Le processus de dopage amélioré peut considérablement améliorer la stabilité cyclique des matériaux à haute teneur en nickel. La conductivité électronique et la stabilité cyclique du matériau cathodique ternaire peuvent être améliorées en mélangeant des ions métalliques ou des ions non métalliques dans le réseau du matériau cathodique ternaire. Les éléments dopants courants sont Al, Mg, Ti, Zr, etc.
La taille des particules du matériau cathodique ternaire dopé aux ions de cuivre diminue considérablement. Les expériences montrent que les propriétés de cyclage et de doublement du NCM811 sont considérablement améliorées par le dopage d'une quantité appropriée d'ions de cuivre : la capacité spécifique de décharge passe de 129,1 mAh/g à 157,29 mAh/g après 100 cycles à un taux de 1C, et le taux de rétention de la capacité passe de 64,61 TTP3T à 84,91 TTP3T.
Matériau cathodique ternaire : entreprises représentées
Dans cette partie, nous présenterons les entreprises représentatives des matériaux cathodiques ternaires en comparant leurs capacités de R&D et leurs brevets.
Du point de vue du nombre cumulé de brevets des entreprises de cathodes, Easpring Technology et B & M Technology ont accumulé un grand nombre de demandes de brevets et de demandes de brevets d'invention, tandis que Ronbay New Energy, fondée en 2014, est à la traîne en ce qui concerne le nombre de brevets en raison de sa courte histoire. Toutefois, Ronbay a déjà dépassé Changyuan Lico et Zhenhua E-chem, deux entreprises déjà établies, et rattrape rapidement Easpring Technology et B & M Technology.
XTC New Energy a également été créé il y a peu de temps. La plupart de ses brevets existants ont été accordés à Xiamen Tungsten, mais elle a également fait preuve d'une bonne dynamique de croissance des brevets au cours des 20 dernières années.
Du point de vue des investissements en recherche et développement de chaque entreprise de matériaux cathodiques, le niveau d'investissement total de Ronbay, Easpring et Changyuan Lico est similaire, et celui de Xiamen Tungsten est plus élevé que celui de ses rivaux. La principale entreprise est également présente dans les deux domaines de l'acide lithium-cobalt et des matériaux ternaires, dans lesquels le coût unitaire de l'acide lithium-cobalt est prioritaire, ce qui se traduit par des coûts de consommation de matériaux de recherche et de développement plus élevés.
En ce qui concerne le personnel de R&D, Ronbay Technology compte plus de 300 personnes, ce qui le place en tête des autres concurrents. En ce qui concerne le salaire moyen du personnel de R&D, Ronbay, Easpring et Changyuan Lico se situent tous à environ 200 000 rmb/an, ce qui les place devant Zhenhua New Material et Xia-Tungsten New Energy.
