การผลิตวัสดุบวกและลบ

ในการเตรียมวัสดุอิเล็กโทรดอนินทรีย์สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ปฏิกิริยาโซลิดสเตตที่อุณหภูมิสูงเป็นปฏิกิริยาที่นิยมใช้มากที่สุด ปฏิกิริยาโซลิดเฟสที่อุณหภูมิสูง หมายถึงกระบวนการที่สารตั้งต้นซึ่งรวมถึงสารในเฟสแข็งทำปฏิกิริยากันเป็นระยะเวลาหนึ่งที่อุณหภูมิหนึ่ง และก่อให้เกิดปฏิกิริยาเคมีผ่านการแพร่กระจายซึ่งกันและกันระหว่างธาตุต่างๆ เพื่อผลิตสารประกอบที่เสถียรที่สุดที่อุณหภูมิหนึ่ง ได้แก่ ปฏิกิริยาของแข็ง-ของแข็ง ปฏิกิริยาของแข็ง-ก๊าซ และปฏิกิริยาของแข็ง-ของเหลว

แม้ว่าจะใช้วิธีโซลเจล วิธีการตกตะกอนร่วม วิธีไฮโดรเทอร์มอล และวิธีการโซลโวเทอร์มอล แต่โดยปกติแล้วมักต้องใช้ปฏิกิริยาเฟสแข็งหรือการเผาผนึกเฟสแข็งที่อุณหภูมิสูง เนื่องจากหลักการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนต้องใช้วัสดุอิเล็กโทรดที่สามารถใส่และถอด li+ ได้ซ้ำๆ ดังนั้นโครงสร้างโครงตาข่ายจึงต้องมีเสถียรภาพเพียงพอ ซึ่งต้องใช้ความเป็นผลึกของวัสดุที่ใช้งานสูงและโครงสร้างผลึกที่สม่ำเสมอ ซึ่งทำได้ยากในสภาวะอุณหภูมิต่ำ ดังนั้นวัสดุอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้จริงในปัจจุบันจึงได้มาโดยพื้นฐานจากปฏิกิริยาโซลิดสเตตที่อุณหภูมิสูง

สายการผลิตการประมวลผลวัสดุแคโทดประกอบไปด้วยระบบการผสม ระบบการเผาผนึก ระบบการบด ระบบการล้างด้วยน้ำ (เฉพาะนิกเกิลสูง) ระบบบรรจุภัณฑ์ ระบบการลำเลียงผง และระบบควบคุมอัจฉริยะ

เมื่อใช้กระบวนการผสมแบบเปียกในการผลิตวัสดุแคโทดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน มักพบปัญหาในการทำให้แห้ง ตัวทำละลายต่าง ๆ ที่ใช้ในกระบวนการผสมแบบเปียกจะนำไปสู่กระบวนการและอุปกรณ์การอบแห้งที่แตกต่างกัน ในปัจจุบัน มีตัวทำละลายสองประเภทหลักที่ใช้ในกระบวนการผสมแบบเปียก ได้แก่ ตัวทำละลายที่ไม่ใช่น้ำ ได้แก่ ตัวทำละลายอินทรีย์ เช่น เอธานอล อะซิโตน เป็นต้น ตัวทำละลายน้ำ อุปกรณ์การอบแห้งสำหรับการผสมวัสดุแคโทดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบเปียกประกอบด้วย: เครื่องอบแห้งแบบหมุนสูญญากาศ เครื่องอบแห้งแบบคราดสูญญากาศ เครื่องอบแห้งแบบพ่นฝอย เครื่องอบแห้งแบบสายพานสูญญากาศ

การผลิตวัสดุแคโทดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในอุตสาหกรรมมักจะใช้กระบวนการสังเคราะห์แบบเผาผนึกแบบโซลิดสเตตที่อุณหภูมิสูง และอุปกรณ์หลักและสำคัญคือเตาเผาแบบเผาผนึก วัตถุดิบสำหรับการผลิตวัสดุแคโทดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะถูกผสมและทำให้แห้งอย่างสม่ำเสมอ จากนั้นโหลดลงในเตาเผาเพื่อเผาผนึก จากนั้นจึงขนถ่ายออกจากเตาเผาเข้าสู่กระบวนการบดและจำแนกประเภท สำหรับการผลิตวัสดุแคโทด ตัวบ่งชี้ทางเทคนิคและเศรษฐกิจ เช่น อุณหภูมิควบคุม ความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ การควบคุมและความสม่ำเสมอของบรรยากาศ ความต่อเนื่อง กำลังการผลิต การใช้พลังงาน และระดับอัตโนมัติของเตาเผามีความสำคัญมาก ในปัจจุบัน อุปกรณ์เผาผนึกหลักที่ใช้ในการผลิตวัสดุแคโทด ได้แก่ เตาผลัก เตาลูกกลิ้ง และเตาระฆัง

◼ เตาลูกกลิ้งเป็นเตาอุโมงค์ขนาดกลางที่มีการให้ความร้อนและการเผาผนึกอย่างต่อเนื่อง

◼ ตามบรรยากาศของเตาเผา เช่น เตาผลัก เตาลูกกลิ้งยังแบ่งออกเป็นเตาลมและเตาบรรยากาศอีกด้วย

• เตาเผาอากาศ: ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการเผาผนึกวัสดุที่ต้องการบรรยากาศออกซิไดซ์ เช่น วัสดุลิเธียมแมงกานีส วัสดุลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ วัสดุสามองค์ประกอบ ฯลฯ
• เตาเผาบรรยากาศ: ส่วนใหญ่ใช้สำหรับวัสดุสามองค์ประกอบ NCA วัสดุลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP) วัสดุขั้วบวกกราไฟต์ และวัสดุการเผาผนึกอื่นๆ ที่ต้องการการป้องกันก๊าซบรรยากาศ (เช่น N2 หรือ O2)

◼ เตาเผาแบบลูกกลิ้งใช้กระบวนการเสียดสีแบบกลิ้ง ดังนั้นความยาวของเตาเผาจะไม่ได้รับผลกระทบจากแรงขับเคลื่อน ในทางทฤษฎีแล้ว อาจไม่มีที่สิ้นสุด ลักษณะของโครงสร้างโพรงเตาเผา คือ ความสม่ำเสมอที่ดีขึ้นเมื่อเผาผลิตภัณฑ์ และโครงสร้างโพรงเตาเผาขนาดใหญ่เอื้อต่อการเคลื่อนที่ของกระแสอากาศในเตาเผา และการระบายน้ำและการปล่อยยางของผลิตภัณฑ์ เป็นอุปกรณ์ที่ต้องการเพื่อแทนที่เตาเผาแบบดันเพื่อให้เกิดการผลิตขนาดใหญ่ได้อย่างแท้จริง

◼ ปัจจุบัน ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ เทอร์นารี ลิเธียมแมงกานีส และวัสดุแคโทดอื่น ๆ ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะถูกเผาในเตาเผาลูกกลิ้งอากาศ ในขณะที่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตจะถูกเผาในเตาเผาลูกกลิ้งที่ได้รับการปกป้องด้วยไนโตรเจน และ NCA จะถูกเผาในเตาเผาลูกกลิ้งที่ได้รับการปกป้องด้วยออกซิเจน