Matériau de la cathode
Dans la préparation de matériaux d'électrodes inorganiques pour batteries lithium-ion, la réaction à l'état solide à haute température est la plus couramment utilisée. Réaction en phase solide à haute température : processus par lequel les réactifs, y compris les substances en phase solide, réagissent pendant un certain temps à une température donnée et produisent des réactions chimiques par diffusion mutuelle entre divers éléments pour produire les composés les plus stables à une température donnée, notamment les réactions solide-solide, solide-gaz et solide-liquide.
Même si l'on utilise les méthodes sol-gel, coprécipitation, hydrothermale et solvothermale, une réaction en phase solide ou un frittage en phase solide à haute température est généralement nécessaire. En effet, le principe de fonctionnement des batteries lithium-ion exige que le matériau de leurs électrodes puisse insérer et retirer du lithium+ de manière répétée. La structure de leur réseau doit donc présenter une stabilité suffisante, ce qui exige une cristallinité élevée des matériaux actifs et une structure cristalline régulière. Ceci est difficile à réaliser à basse température ; les matériaux d'électrodes des batteries lithium-ion actuellement utilisés sont donc essentiellement obtenus par réaction en phase solide à haute température.
La ligne de production de traitement de matériaux cathodiques comprend principalement un système de mélange, un système de frittage, un système de concassage, un système de lavage à l'eau (uniquement à haute teneur en nickel), un système d'emballage, un système de transport de poudre et un système de contrôle intelligent.
Lors de la production de matériaux cathodiques pour batteries lithium-ion par mélange humide, des problèmes de séchage sont souvent rencontrés. La diversité des solvants utilisés entraîne des procédés et des équipements de séchage différents. Actuellement, deux principaux types de solvants sont utilisés : les solvants non aqueux, notamment les solvants organiques tels que l'éthanol et l'acétone, et les solvants aqueux. Les équipements de séchage pour le mélange humide des matériaux cathodiques des batteries lithium-ion comprennent principalement : un sécheur rotatif sous vide, un sécheur à râteau sous vide, un sécheur par atomisation et un sécheur à bande sous vide.
La production industrielle de matériaux cathodiques pour batteries lithium-ion utilise généralement un procédé de synthèse par frittage solide à haute température. Son équipement principal et clé est le four de frittage. Les matières premières nécessaires à la production de matériaux cathodiques pour batteries lithium-ion sont mélangées et séchées uniformément, puis chargées dans le four pour le frittage, puis déchargées pour le broyage et la classification. Pour la production de matériaux cathodiques, des indicateurs techniques et économiques tels que la température de contrôle, l'uniformité de la température, le contrôle et l'homogénéité de l'atmosphère, la continuité, la capacité de production, la consommation énergétique et le degré d'automatisation du four sont essentiels. Actuellement, les principaux équipements de frittage utilisés pour la production de matériaux cathodiques sont les fours à poussoir, les fours à rouleaux et les fours cloches.
◼ Le four à rouleaux est un four tunnel de taille moyenne avec chauffage et frittage continus.
◼ Selon l'atmosphère du four, comme le four à poussoir, le four à rouleaux est également divisé en four à air et four à atmosphère.
- Four à air : principalement utilisé pour le frittage de matériaux nécessitant une atmosphère oxydante, tels que les matériaux à base de manganate de lithium, les matériaux à base d'oxyde de lithium et de cobalt, les matériaux ternaires, etc.
- Four à atmosphère : principalement utilisé pour les matériaux ternaires NCA, les matériaux au phosphate de fer et de lithium (LFP), les matériaux d'anode en graphite et d'autres matériaux de frittage nécessitant une protection gazeuse atmosphérique (comme N2 ou O2).
◼ Le four à rouleaux adopte un procédé de frottement par roulement, ce qui permet d'éviter toute influence de la force de propulsion sur sa longueur. En théorie, cette longueur peut être infinie. La structure de la cavité du four, qui assure une meilleure régularité de cuisson, et sa grande taille facilitent la circulation de l'air dans le four, ainsi que le drainage et l'évacuation du caoutchouc. C'est l'équipement privilégié pour remplacer le four à poussoir et permettre une production à grande échelle.
◼ Actuellement, l'oxyde de cobalt et de lithium, le ternaire, le manganate de lithium et d'autres matériaux cathodiques des batteries lithium-ion sont frittés dans un four à rouleaux à air, tandis que le phosphate de fer et de lithium est fritté dans un four à rouleaux protégé par de l'azote, et le NCA est fritté dans un four à rouleaux protégé par de l'oxygène.
Matériau de l'électrode négative
Les principales étapes du procédé de fabrication du graphite artificiel comprennent le prétraitement, la pyrolyse, le broyage à boulets, la graphitisation (traitement thermique permettant de disposer les atomes de carbone initialement désordonnés, et les étapes techniques clés), le mélange, le revêtement, le tamisage, le pesage, le conditionnement et l'entreposage. Toutes ces opérations sont fines et complexes.
◼ La granulation est divisée en processus de pyrolyse et processus de criblage par broyage à boulets.
Lors du procédé de pyrolyse, le matériau intermédiaire 1 est introduit dans le réacteur, l'air est remplacé par du N₂, le réacteur est scellé, chauffé électriquement selon la courbe de température, agité à 200-300 °C pendant 1 à 3 h, puis porté à 400-500 °C. L'agitation est effectuée pour obtenir un matériau de granulométrie 10-20 mm. La température est ensuite abaissée et le matériau est déchargé pour obtenir le matériau intermédiaire 2. Deux types d'équipements sont utilisés dans le procédé de pyrolyse : le réacteur vertical et l'équipement de granulation continue. Ils fonctionnent sur le même principe. Ils sont agités ou déplacés sous une courbe de température spécifique pour modifier la composition du matériau et ses propriétés physiques et chimiques. La différence réside dans le fait que le réacteur vertical combine un réacteur chaud et un réacteur froid. Les composants du matériau sont modifiés par agitation selon la courbe de température du réacteur chaud. Une fois terminé, le matériau est placé dans le réacteur de refroidissement pour refroidissement, et le réacteur chaud peut être alimenté. L'équipement de granulation continue réalise un fonctionnement continu, avec une faible consommation d'énergie et un rendement élevé.
◼ La carbonisation et la graphitisation sont des étapes essentielles. Le four de carbonisation carbonise les matériaux à moyenne et basse température. La température du four peut atteindre 1600 °C, ce qui répond aux exigences de carbonisation. Le contrôleur de température intelligent de haute précision et le système de surveillance PLC automatique permettent un contrôle précis des données générées lors du processus de carbonisation.
Le four de graphitisation, y compris le four horizontal à haute température, le four à décharge inférieure, le four vertical, etc., place le graphite dans la zone chaude du graphite (environnement contenant du carbone) pour le frittage et la fusion, et la température pendant cette période peut atteindre 3200 ℃.
◼ Revêtement
Le matériau intermédiaire 4 est transporté vers le silo par le système de convoyage automatique, puis le matériau est automatiquement introduit dans la boîte de prométhium par le manipulateur. Le système de convoyage automatique transporte la boîte de prométhium vers le réacteur continu (four à rouleaux) pour y être enrobé. Le matériau intermédiaire 5 est ensuite chauffé à 1150 °C selon une courbe de montée en température définie sous azote pendant 8 à 10 heures. Le chauffage indirect consiste à chauffer l'équipement électriquement. Le chauffage transforme l'asphalte de haute qualité à la surface des particules de graphite en un revêtement de carbone pyrolytique. Lors du chauffage, les résines de l'asphalte de haute qualité se condensent et la morphologie cristalline se transforme (de l'état amorphe à l'état cristallin). Une couche de carbone microcristallin ordonnée se forme à la surface des particules de graphite sphériques naturelles, donnant ainsi naissance à un matériau de type graphite enrobé, avec une structure « cœur-écorce ».