24 décembre 2024

Existe-t-il donc une solution plus efficace et plus fiable pour éliminer ce goulot d'étranglement ?

L'émergence des billes de zircone stabilisées à l'yttrium (billes de céramique de zircone) a ouvert de nouvelles possibilités pour la préparation des matériaux des batteries au lithium. Cet article analyse comment ce média de broyage avancé peut apporter des solutions aux principaux problèmes de l'industrie.

Le processus de production des matériaux d'électrode pour les batteries au lithium, en particulier les matériaux d'électrode positive (tels que l'oxyde de lithium et de cobalt, les matériaux ternaires, etc.) et les matériaux d'électrode négative (tels que le graphite, les matériaux à base de silicium, etc.), exige une uniformité et une pureté des particules extrêmement élevées. Le manque d'homogénéité des particules affecte la densité énergétique et la durée de vie de la batterie, tandis que la présence d'impuretés peut entraîner une diminution des performances de la batterie.

Lors de la production de matériaux d'électrodes pour batteries au lithium, les matières premières sont d'abord broyées et dispersées, la taille des particules est affinée, les particules sont uniformément réparties et les performances des matériaux sont finalement améliorées.

Dans le processus de broyage et de dispersion des matériaux, les billes d'oxyde de zirconium jouent un rôle essentiel grâce à leur excellente résistance à l'usure, leur bonne stabilité chimique et leur excellente capacité à contrôler la distribution de la taille des particules. L'utilisation de billes en céramique de zircone permet d'obtenir une distribution plus uniforme des particules de matériau, ce qui contribue à améliorer la pureté des matériaux des batteries, à réduire la teneur en impuretés et à garantir efficacement la stabilité des performances des batteries lors d'une utilisation à long terme.

Les billes d'oxyde de zirconium jouent un rôle extrêmement important en tant que "meule" dans la préparation des matériaux d'électrodes pour batteries au lithium. Leur principe de fonctionnement peut être divisé en trois processus clés : le broyage, la dispersion et l'antipollution.

Broyage : Un "micro-marteau" qui brise les matériaux

Dans l'équipement de broyage, les billes de zircone tournent à grande vitesse et "cassent" les particules de matériau d'électrode, telles que le lithium, le nickel, le cobalt, l'oxyde de manganèse ou le graphite, par impact cinétique et friction. Tout comme on utilise un marteau pour briser des roches dures, les billes de céramique de zircone utilisent leur densité et leur dureté élevées pour broyer ces matériaux et les transformer de grosses particules originales en particules plus petites, de l'ordre du micron ou même du nanomètre. Ce processus de raffinement garantit que les matériaux des piles au lithium ont une surface plus grande lorsqu'ils sont utilisés, améliorant ainsi leurs performances électrochimiques, telles que la capacité et la durée de vie de la pile.

Dispersion : Empêcher les particules de s'agglutiner

Les particules ont tendance à s'adsorber ou à s'agglomérer les unes aux autres pendant le broyage, tout comme le sable mouillé qui s'agglomère, et cette "agglutination" entraîne une distribution inégale du matériau. La conception sphérique lisse et la distribution uniforme de l'énergie des billes de zircone empêchent les particules d'adhérer et les dispersent complètement. L'avantage de cette distribution uniforme est que les matériaux actifs des électrodes des batteries au lithium peuvent atteindre une sortie de courant plus stable, améliorant ainsi les performances globales de la batterie.

Performance peu polluante : Gardien des matériaux purs

Dans la fabrication des piles au lithium, toute impureté affecte gravement la sécurité et la stabilité de la pile. Les billes en céramique de zircone sont composées d'oxyde de zirconium et d'yttrium de haute pureté, qui sont résistants à l'usure et chimiquement stables. Lors du broyage à haute énergie, elles ne laissent pas tomber d'ions métalliques ou de débris d'usure comme d'autres matériaux, de sorte qu'elles ne contaminent pas les matériaux des électrodes. Cette caractéristique de "propreté" aide les batteries au lithium à répondre aux exigences de pureté élevées, en particulier dans les applications haut de gamme telles que les véhicules à énergie nouvelle.

En résumé, les billes de zircone peuvent non seulement broyer les particules et maintenir une distribution uniforme, mais aussi éviter la contamination des matériaux. Elles constituent un moyen de broyage indispensable pour la préparation des matériaux d'électrodes de batteries au lithium.

Augmenter la densité énergétique

Grâce au broyage efficace des billes d'oxyde de zirconium, les particules du matériau d'électrode des batteries au lithium deviennent plus petites et plus uniformes. Ce raffinement au niveau du micron, voire du nanomètre, augmente considérablement la surface spécifique des particules et accroît la plage de contact entre le matériau actif et l'électrolyte, augmentant ainsi la densité énergétique de la batterie. Cela signifie qu'à volume égal, la batterie peut stocker plus d'énergie électrique pour répondre aux besoins d'applications telles que les équipements de haute endurance et les véhicules à énergie nouvelle.

Amélioration de la stabilité du cycle

Les batteries subissent souvent une diminution de leur capacité lors des charges et décharges à long terme, ce qui entraîne une dégradation de leurs performances. Au cours du processus de broyage, les billes de céramique de zircone garantissent une pureté élevée et une distribution uniforme des matériaux d'électrode et réduisent l'apparition d'agglomérations de particules et de microfissures. Cela permet non seulement d'améliorer la stabilité de la structure interne de la batterie, mais aussi de réduire efficacement la probabilité de réactions secondaires, prolongeant ainsi la durée de vie de la batterie.

Optimisation de la conductivité et de la migration des ions

L'effet de dispersion des billes de zircone permet de répartir uniformément les matériaux actifs de l'électrode sur la feuille d'électrode, réduisant ainsi l'apparition de "zones mortes". Cette uniformité améliore la conductivité de l'électrode et optimise le chemin de migration des ions lithium pendant le processus de charge et de décharge, améliorant ainsi la puissance de sortie globale et l'efficacité de la charge de la batterie.

Grâce à ces effets, les billes de zircone permettent non seulement d'améliorer les performances des piles au lithium, mais aussi de fournir un support de processus plus fiable pour la prochaine génération de technologie des piles.

Broyage et dispersion de matériaux ternaires NCM

Un fabricant de batteries au lithium utilise des billes d'oxyde de zirconium pour broyer par voie humide le matériau d'électrode positive ternaire NCM. Dans l'expérience, les billes de zircone impactent et affinent le matériau NCM plusieurs fois grâce à un équipement de brassage à haute énergie, réduisant sa taille de particule de 3,5μm à 0,8μm. L'uniformité de la taille des particules du matériau est considérablement améliorée (la fluctuation de la taille des particules D50 est réduite de 30%). [1], tandis que la teneur en impuretés est maintenue en dessous de 0,01%. Cet effet de raffinement améliore la capacité de décharge et les performances de vitesse du NCM, en particulier dans les essais à haute vitesse, où sa densité énergétique est augmentée d'environ 15% [2].

Traitement par voie humide des matériaux d'anode en graphite

Dans le traitement des matériaux d'anode en graphite, les billes de zircone aident à disperser les particules de graphite et à optimiser l'uniformité de la boue. Les expériences montrent que la viscosité de la suspension de graphite après le broyage des billes YSZ est stable, et que la distribution des particules est concentrée dans la plage de 1-2μm, ce qui est 20% plus élevé que l'efficacité de dispersion des billes céramiques traditionnelles [3]. La feuille d'électrode finale présente une conductivité supérieure et une stabilité à long terme, et le taux de rétention de la capacité de la cellule unique est porté à 94,8% (après 1000 cycles de charge et de décharge). [4].

Amélioration des performances des électrodes de phosphate de fer lithié

L'utilisation de billes de zircone pour broyer par voie humide et disperser le LiFePO₄ (phosphate de fer lithié) améliore considérablement le taux de rétention de la capacité et la performance du taux. Après le broyage, la taille des particules a été réduite de 1,5 μm à 0,7 μm, et le matériau a montré une amélioration des performances de 20% dans les tests de charge/décharge à taux élevé [5]. Par rapport au matériau non traité, le taux de rétention de la capacité après 200 cycles a augmenté de 10%.

Selon des cas concrets, les billes d'oxyde de zirconium peuvent améliorer de manière significative la performance des particules et répondre aux exigences de pureté élevées dans la préparation des matériaux d'électrodes positives et négatives pour les batteries au lithium, ce qui en fait un choix idéal pour le broyage et la dispersion des matériaux de batteries au lithium à haute performance.

Quelle est la taille idéale des billes de zircone pour le broyage des matériaux des batteries au lithium ?

La taille idéale des billes d'oxyde de zirconium dépend du type de matériau traité.

Des billes plus petites sont plus propices à l'obtention de particules plus fines et à une meilleure dispersion. En général, on utilise des billes de 0,3 à 0,4 mm pour broyer les microbilles destinées aux piles au lithium à énergie nouvelle. Plus c'est fin, mieux c'est, de préférence au niveau du nanomètre. Vous pouvez choisir les produits HLH YZ300 (0,25-0,3 mm), YZ200 (0,2-0,25 mm) et YZ150 (0,15-0,2 mm)..

Pour les matériaux grossiers ou le broyage préliminaire, des billes plus grosses (par exemple 1,0-1,5 mm) peuvent être plus appropriées.

(HLH propose des tailles personnalisées, cliquez ici pour plus d'informations sur le produit).

Quelles sont les machines recommandées pour la production de matériaux pour piles au lithium ?

Les broyeurs à perles à haute énergie (tels que les broyeurs à perles horizontaux et verticaux) sont souvent utilisés pour le broyage des perles d'oxyde de zirconium. Ces machines fournissent la force de cisaillement nécessaire pour briser efficacement des matériaux tels que le NCM et le graphite.

Quelle est la durée de vie des billes en céramique de zircone pendant le broyage ?

Les billes en céramique de zircone ont une longue durée de vie en raison de leur grande durabilité et de leur résistance à l'usure. Toutefois, leur durée de vie dépend de facteurs tels que la dureté du matériau de broyage et la vitesse de broyage. En moyenne, les billes de zircone ont une durée de vie de 500 à 1000 heures avant de devoir être remplacées.

Les billes d'oxyde de zirconium peuvent-elles être utilisées comme matériaux d'électrodes positives et négatives dans les piles au lithium ?

Oui, les billes de zircone conviennent au broyage des matériaux de la cathode (par exemple NCM) et de l'anode (par exemple graphite) parce qu'elles préservent la pureté et empêchent la contamination pendant le processus de broyage.

Quels sont les avantages de l'utilisation de billes de zircone par rapport à d'autres supports de broyage tels que les billes de verre ?

Comparées à d'autres médias de broyage, les billes d'oxyde de zirconium ont une excellente durabilité, une stabilité chimique et une plus grande résistance à l'usure. Leur dureté élevée garantit une durée de vie plus longue et une contamination moindre pendant le broyage, ce qui les rend idéales pour les applications de haute précision dans la production de batteries au lithium.

Comment garantir des performances constantes lors de l'utilisation de billes d'oxyde de zirconium dans une production à grande échelle ?

Pour maintenir des performances constantes, des facteurs tels que la taille des billes, la vitesse de broyage et la charge de matériau doivent être surveillés et contrôlés. Un contrôle régulier de l'usure des billes permet également de maintenir des performances optimales tout au long du processus de production.

Les billes d'oxyde de zirconium améliorent considérablement les performances des matériaux de batterie, notamment la densité énergétique, la stabilité du cycle et la conductivité, grâce à des effets de broyage et de dispersion efficaces. Grâce à leur faible contamination et à leur durabilité, elles sont devenues un choix idéal pour une efficacité élevée et la protection de l'environnement.

À l'avenir, avec le développement continu de nouvelles technologies de batteries, les billes de zircone ont un grand potentiel d'application dans des domaines émergents tels que les batteries à semi-conducteurs et les batteries sodium-ion, et peuvent fournir des solutions plus stables et plus efficaces pour la prochaine génération de technologies de batteries.

Références

[1] Technologie avancée des poudres, 2022, DOI : 10.1016/j.apt.2022.04.016.

[2] Journal des sources d'énergie, 2021, DOI : 10.1016/j.jpowsour.2021.230912.

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

[4] Matériaux de stockage de l'énergie, 2021, DOI : 10.1016/j.ensm.2021.04.015.

[5] Journal de la chimie de l'énergie, 2021, DOI : 10.1016/j.jechem.2021.02.027.