Dezember 24, 2024

Gibt es also eine effizientere und zuverlässigere Lösung, um diesen Engpass zu beseitigen?

Das Aufkommen von Yttriumoxid-stabilisierten Zirkoniumdioxid-Kugeln (Zirkoniumdioxid-Keramikkugeln) hat neue Möglichkeiten für die Herstellung von Lithiumbatterie-Materialien eröffnet. In diesem Artikel wird analysiert, wie diese fortschrittlichen Mahlkörper Lösungen für die Hauptprobleme der Industrie bieten können.

Der Herstellungsprozess von Elektrodenmaterialien für Lithiumbatterien, insbesondere von positiven Elektrodenmaterialien (wie Lithiumkobaltoxid, ternäre Materialien usw.) und negativen Elektrodenmaterialien (wie Graphit, Materialien auf Siliziumbasis usw.), erfordert eine extrem hohe Einheitlichkeit und Reinheit der Partikel. Die Inhomogenität der Partikel wirkt sich auf die Energiedichte und die Lebensdauer der Batterie aus, während das Vorhandensein von Verunreinigungen zu einer Abnahme der Batterieleistung führen kann.

Bei der Herstellung von Lithiumbatterie-Elektrodenmaterialien werden die Rohstoffe zunächst gemahlen und dispergiert, die Partikelgröße wird verfeinert, die Partikel werden gleichmäßig verteilt, und schließlich wird die Leistung der Materialien verbessert.

Bei der Zerkleinerung und Dispersion der Materialien spielen Zirkonoxidkugeln aufgrund ihrer hohen Verschleißfestigkeit, ihrer guten chemischen Stabilität und ihrer ausgezeichneten Fähigkeit zur Steuerung der Partikelgrößenverteilung eine entscheidende Rolle. Durch die Verwendung von Zirkoniumoxid-Keramikkugeln können die Materialpartikel eine gleichmäßigere Verteilung erreichen, was zur Verbesserung der Reinheit der Batteriematerialien beiträgt, den Gehalt an Verunreinigungen reduziert und die Stabilität der Batterieleistung während der Langzeitnutzung effektiv gewährleistet.

Zirkonoxidkugeln spielen eine äußerst wichtige Rolle als "Schleifstein" bei der Herstellung von Elektrodenmaterialien für Lithiumbatterien. Ihr Funktionsprinzip lässt sich in drei Schlüsselprozesse unterteilen: Mahlen, Dispergieren und Verschmutzungsschutz.

Schleifen: Ein "Mikrohammer", der Materialien bricht

In der Zerkleinerungsanlage rotieren Zirkoniumdioxidkugeln mit hoher Geschwindigkeit und "brechen" Elektrodenmaterialpartikel wie Lithium-Nickel-Kobalt-Manganoxid oder Graphit durch kinetischen Aufprall und Reibung. Ähnlich wie bei der Verwendung eines Hammers, um hartes Gestein zu zerkleinern, nutzen Zirkoniumdioxid-Keramikkugeln ihre hohe Dichte und Härte, um diese Materialien von ursprünglich großen Partikeln in kleinere Mikron- oder sogar Nanometergrößen zu zermahlen. Dieser Veredelungsprozess sorgt dafür, dass die Lithiumbatterie-Materialien bei der Verwendung eine größere Oberfläche haben, wodurch sich ihre elektrochemische Leistung, wie z. B. die Batteriekapazität und die Lebensdauer, verbessert.

Dispersion: Verhindern des "Verklumpens" von Partikeln

Partikel neigen dazu, während des Mahlens aneinander zu adsorbieren oder zu agglomerieren, so wie nasser Sand aneinander klebt, und dieses "Verklumpen" verursacht eine ungleichmäßige Materialverteilung. Das glatte, kugelförmige Design und die gleichmäßige Energieverteilung der Zirkoniumdioxidkugeln verhindern, dass die Partikel aneinander haften und verteilen sie vollständig. Der Vorteil dieser gleichmäßigen Verteilung besteht darin, dass die aktiven Materialien der Lithiumbatterieelektroden eine stabilere Stromabgabe erreichen können, wodurch die Gesamtleistung der Batterie verbessert wird.

Schadstoffarme Leistung: Wächter der reinen Materialien

Bei der Herstellung von Lithiumbatterien beeinträchtigen Verunreinigungen die Sicherheit und Stabilität der Batterie erheblich. Zirkoniumdioxid-Keramikkugeln werden aus hochreinem Zirkoniumoxid und Yttrium hergestellt, die verschleißfest und chemisch stabil sind. Beim Mahlen mit hoher Energie setzen sie keine Metallionen oder Abriebpartikel ab wie andere Materialien, so dass sie die Elektrodenmaterialien nicht verunreinigen. Diese "Reinheitseigenschaft" trägt dazu bei, dass Lithiumbatterien die hohen Reinheitsanforderungen erfüllen, insbesondere bei High-End-Anwendungen wie neuen Energiefahrzeugen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Zirkoniumdioxid-Perlen nicht nur Partikel zerkleinern und gleichmäßig verteilen können, sondern auch eine Verunreinigung des Materials verhindern. Sie sind unverzichtbare Schleifmittel bei der Herstellung von Lithiumbatterie-Elektrodenmaterialien.

Erhöhung der Energiedichte

Durch die effiziente Zerkleinerung von Zirkoniumoxid-Perlen werden die Partikel des Elektrodenmaterials von Lithiumbatterien kleiner und einheitlicher. Diese Verfeinerung im Mikron- oder sogar Nanobereich vergrößert die spezifische Oberfläche der Partikel und erhöht den Kontaktbereich zwischen dem aktiven Material und dem Elektrolyten, wodurch die Energiedichte der Batterie steigt. Das bedeutet, dass die Batterie bei gleichem Volumen mehr elektrische Energie speichern kann, um den Anforderungen von Anwendungen wie High-End-Langstreckengeräten und Fahrzeugen mit neuer Energie gerecht zu werden.

Erhöhte Zyklenstabilität

Bei Batterien kommt es häufig zu einem Kapazitätsabfall während langfristiger Lade- und Entladevorgänge, was zu einer Leistungsverschlechterung führt. Während des Mahlvorgangs sorgen Zirkoniumdioxid-Keramikkugeln für eine hohe Reinheit und gleichmäßige Verteilung der Elektrodenmaterialien und verringern das Auftreten von Partikelagglomeration und Mikrorissen. Dadurch wird nicht nur die Stabilität der inneren Struktur der Batterie verbessert, sondern auch die Wahrscheinlichkeit von Nebenreaktionen wirksam verringert und somit die Lebensdauer der Batterie verlängert.

Optimierung von Leitfähigkeit und Ionenmigration

Der Dispersionseffekt der Zirkoniumdioxid-Perlen sorgt dafür, dass die aktiven Materialien der Elektrode gleichmäßig auf der Elektrodenplatte verteilt werden können, wodurch das Auftreten von "toten Zonen" verringert wird. Diese Gleichmäßigkeit verbessert die Leitfähigkeit der Elektrode und optimiert den Migrationspfad der Lithium-Ionen während des Lade- und Entladevorgangs, wodurch die Gesamtausgangsleistung und die Ladeeffizienz der Batterie verbessert werden.

Durch diese Effekte können Zirkoniumdioxidkugeln nicht nur die Leistung von Lithiumbatterien verbessern, sondern auch eine zuverlässigere Prozessunterstützung für die nächste Generation der Batterietechnologie bieten.

Mahlen und Dispergieren von NCM ternären Materialien

Ein Hersteller von Lithiumbatterien verwendet Zirkoniumoxidkugeln zur Nassmahlung des ternären positiven Elektrodenmaterials NCM. In dem Versuch wird das NCM-Material durch die Zirkoniumoxidkugeln mehrfach mit Hilfe eines Hochenergie-Rührwerks aufgeschlagen und verfeinert, wodurch die Partikelgröße von 3,5μm auf 0,8μm reduziert wird. Die Gleichmäßigkeit der Partikelgröße des Materials wird erheblich verbessert (die D50-Partikelgrößenschwankung wird um 30% reduziert). [1], während der Gehalt an Verunreinigungen unter 0,01% gehalten wird. Dieser Veredelungseffekt verbessert die Entladungskapazität und die Ratenleistung von NCM, insbesondere bei Tests mit hoher Rate, bei denen die Energiedichte um etwa 15% erhöht wird. [2].

Nassbearbeitung von Graphitanodenmaterialien

Bei der Verarbeitung von Graphitanodenmaterialien tragen Zirkoniumdioxidkugeln dazu bei, Graphitpartikel zu dispergieren und die Einheitlichkeit der Aufschlämmung zu optimieren. Experimente zeigen, dass die Viskosität der Graphitaufschlämmung nach dem Mahlen von YSZ-Perlen stabil ist und die Partikelverteilung im Bereich von 1-2μm konzentriert ist, was 20% höher ist als die Dispersionseffizienz von herkömmlichen Keramikperlen. [3]. Die fertige Elektrodenplatte weist eine hervorragende Leitfähigkeit und Langzeitstabilität auf, und die Kapazitätserhaltungsrate der Einzelzelle wird auf 94,8% (nach 1000 Lade- und Entladezyklen) erhöht. [4].

Verbesserte Leistung von Lithium-Eisenphosphat-Elektroden

Die Verwendung von Zirkoniumdioxid-Perlen zum Nassmahlen und Dispergieren von LiFePO₄ (Lithiumeisenphosphat) verbessert die Kapazitätserhaltungsrate und die Ladeleistung erheblich. Nach dem Mahlen wurde die Partikelgröße von 1,5 μm auf 0,7 μm reduziert, und das Material zeigte eine 20% Leistungsverbesserung in Hochgeschwindigkeits-Lade/Entladetests. [5]. Im Vergleich zum unbehandelten Material stieg die Kapazitätserhaltungsrate nach 200 Zyklen um 10%.

In der Praxis hat sich gezeigt, dass Zirkonoxidkugeln die Partikelleistung erheblich verbessern und die hohen Reinheitsanforderungen bei der Herstellung positiver und negativer Elektrodenmaterialien für Lithiumbatterien erfüllen können, was sie zu einer idealen Wahl für das Mahlen und Dispergieren von Hochleistungs-Lithiumbatteriematerialien macht.

Was ist die ideale Größe von Zirkoniumdioxidkugeln für das Schleifen von Lithiumbatterie-Materialien?

Die ideale Größe der Zirkoniumoxidkugeln hängt von der Art des zu verarbeitenden Materials ab.

Kleinere Perlen sind für eine feinere Partikelgröße und eine bessere Dispersion förderlicher. Im Allgemeinen werden 0,3-0,4 mm für das Mahlen von Mikroperlen für Lithiumbatterien mit neuer Energie verwendet. Je feiner, desto besser, vorzugsweise im Nanometerbereich. Sie können sich für HLH's YZ300 (0,25-0,3mm), YZ200 (0,2-0,25mm) und YZ150 (0,15-0,2mm).

Für grobe Materialien oder Vorzerkleinerung können größere Perlen (z. B. 1,0-1,5 mm) besser geeignet sein.

(HLH bietet Sondergrößen an, hier klicken für Details zum Produkt).

Welche Maschinen werden für die Herstellung von Lithiumbatteriematerial empfohlen?

Für die Vermahlung mit Zirkonoxidkugeln werden häufig Hochenergie-Perlmühlen (wie horizontale und vertikale Perlmühlen) eingesetzt. Diese Maschinen bieten die notwendige Scherkraft, um Materialien wie NCM und Graphit effektiv zu zerkleinern.

Wie lange halten die Zirkoniumdioxid-Keramikkugeln beim Schleifen?

Zirkoniumdioxid-Keramikkugeln haben aufgrund ihrer hohen Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit eine lange Lebensdauer. Ihre Lebensdauer hängt jedoch von Faktoren wie der Härte des Mahlguts und der Mahlgeschwindigkeit ab. Im Durchschnitt halten Zirkoniumdioxidkugeln 500 bis 1000 Stunden, bevor sie ersetzt werden müssen.

Können Zirkoniumoxidkugeln als positive und negative Elektrodenmaterialien in Lithiumbatterien verwendet werden?

Ja, Zirkoniumdioxidkugeln eignen sich zum Schleifen von Kathoden- (z. B. NCM) und Anodenmaterialien (z. B. Graphit), da sie die Reinheit bewahren und Verunreinigungen während des Schleifprozesses verhindern.

Welche Vorteile bietet die Verwendung von Zirkoniumdioxidkugeln im Vergleich zu anderen Mahlkörpern wie z. B. Glasperlen?

Im Vergleich zu anderen Schleifkörpern haben Zirkonoxidkugeln eine ausgezeichnete Haltbarkeit, chemische Stabilität und eine höhere Verschleißfestigkeit. Ihre hohe Härte sorgt für eine längere Lebensdauer und weniger Verunreinigungen beim Schleifen, was sie ideal für hochpräzise Anwendungen in der Lithiumbatterieproduktion macht.

Wie lässt sich bei der Verwendung von Zirkoniumoxidkugeln in der Großproduktion eine gleichbleibende Leistung sicherstellen?

Um eine gleichbleibende Leistung aufrechtzuerhalten, müssen Faktoren wie die Perlengröße, die Mahlgeschwindigkeit und die Materialbeladung überwacht und kontrolliert werden. Die regelmäßige Überprüfung des Verschleißes der Perlen trägt ebenfalls dazu bei, die optimale Leistung während des gesamten Produktionsprozesses aufrechtzuerhalten.

Zirkoniumoxidperlen verbessern die Leistung von Batteriematerialien, einschließlich Energiedichte, Zyklenstabilität und Leitfähigkeit, durch effiziente Mahl- und Dispersionseffekte erheblich. Mit seiner geringen Verunreinigung und Haltbarkeit ist es eine ideale Wahl für hohe Effizienz und Umweltschutz.

Angesichts der kontinuierlichen Entwicklung neuer Batterietechnologien haben Zirkoniumdioxidkugeln ein großes Potenzial für Anwendungen in neuen Bereichen wie Festkörperbatterien und Natrium-Ionen-Batterien und könnten stabilere und effizientere Lösungen für die nächste Generation der Batterietechnologie bieten.

Referenzen

[1] Fortschrittliche Pulvertechnologie, 2022, DOI: 10.1016/j.apt.2022.04.016.

[2] Zeitschrift für Stromquellen, 2021, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2021.230912.

[3] Electrochimica Acta, 2022, DOI: 10.1016/j.electacta.2022.139582.

[4] Materialien zur Energiespeicherung, 2021, DOI: 10.1016/j.ensm.2021.04.015.

[5] Zeitschrift für Energiechemie, 2021, DOI: 10.1016/j.jechem.2021.02.027.