リチウムイオン電池の正極と負極の材料は 典型的な粉末材料.
超微粉砕機 粉体材料において重要な役割を果たします。
電極粉末の粒子サイズ、比表面積、充填密度に影響し、電池の反応速度やエネルギー密度に影響します。
バッテリーの出力とサイクル性能に大きな影響を与えます。
粉体特性は電池性能に直接関係するため、電極材料の設計と加工は非常に重要です。本稿では、リチウム電池電極材料における粉体技術の応用について紹介します。
電極材料と粉末技術
電極材料の粒子サイズの制御
電極材料の粒子サイズは、リチウムイオン電池の性能に決定的な役割を果たします。一般的に、電極材料の粒子サイズは、電池スラリーと電極シートの製造に直接影響します。粒子サイズの大きいスラリーは粘度が低く、流動性が良く、必要な溶媒が少なく、固形分が多くなります。粉末の粒子サイズが小さくなると、成形密度と容量がある程度向上します。
電極材料の粒子サイズは通常、レーザー粒度分布計を使用してテストされ、累積分布曲線における最大粒子の等価直径D50が平均粒子サイズとして使用されます。カソード材料を例にとると、カソード材料の粒子サイズと分布は、前駆体の準備、焼結、粉砕プロセスと密接に関係しています。
例えば、コバルト酸リチウムは、一般的にCo3O4と炭酸リチウムを原料として製造されます。焼結特性が非常に優れているため、原材料に対する要求は比較的低いです。マンガン酸リチウムは、主にアルカリマンガン電池と同じ原材料、つまり電解二酸化マンガン（EMD）を使用します。製造プロセスは、電解プロセスによってMnO2プレート全体を堆積し、それを剥離して粉砕して材料を得るというものです。
原材料は通常、大きくて不規則な粒子であるため、球状のマンガン源前駆体を使用して粒度分布を制御します。リチウムニッケルコバルト酸化物、ニッケルコバルトマンガン酸化物、ニッケルコバルトアルミニウム酸化物などの材料の場合、工業生産では、Ni、Co、Mn、Alなどの元素を原子レベルで混合するために化学共沈法が一般的に使用されています。高密度は結晶化を制御することで実現され、これらのプロセスは粉末粒子サイズ制御技術の領域に属します。
電極材料の比表面積の制御
一般的に、電極材料の比表面積が大きいほど、バッテリーのレート能力は向上します。ただし、電解質材料と反応しやすくなり、サイクル性能と保存性能が低下します。比表面積は、粒子のサイズと分布、表面多孔度、表面コーティングなどの要因と密接に関係しています。コバルト酸リチウムシステムでは、粒子サイズの小さい電極材料が最高の比表面積に対応します。
リン酸鉄リチウムは導電性が低いため、その粒子はナノスケールの凝集体として設計され、非晶質炭素コーティングが施され、すべての正極材料の中で最も高い比表面積を実現しています。コバルトベースの材料と比較すると、マンガンベースの材料は本質的に焼結しにくく、通常、比表面積が大きくなります。
比表面積を制御することは、バッテリーの要件を満たすために不可欠です。これは材料特性に基づいています。また、電極材料の製造における粉末技術の応用でもあります。
電極材料の粒子形態の制御
粒子形態による電極材料の性能向上の代表的な応用は、天然黒鉛の球状化である。現在、リチウムイオン電池の負極材料メーカーの応用は、徐々にコスト削減の方向に進んでいる。そのため、天然黒鉛に関する世界的な研究は非常に重要です。天然黒鉛は、負極として高容量と安定した放電電圧の利点がありますが、重大な欠点もあります。
充電プロセス中に、溶媒分子がリチウムイオンとともにグラファイト層に挿入され、グラファイト層が「剥離」して構造的な損傷が発生し、電極のサイクル性能が急速に低下します。
同時に、通常の天然黒鉛は層状構造が発達しており、シート状であるため、充填時に電極シートと平行に並びやすく、リチウムイオンの拡散距離が長くなり、拡散抵抗が上昇して充放電性能が低下します。
天然黒鉛粒子を球状化した後、黒鉛層があらゆる方向に分布します。
優先配向が小さくなり、分布がより均一になり、リチウムイオンの拡散経路が短くなり、放電効率が向上します。
同様に、他の種類の材料も適切な球状化によって改質することができます。同時に、球状化により粉末材料の充填と均一な分布が改善され、リチウムイオン電池の体積エネルギー密度とサイクル性能がさらに向上します。
他の粉末材料によるコーティングによる表面改質
ニッケル・コバルト・マンガン（NCM）三元材料は現在、パワーバッテリーのカソード材料として最も広く使用されています。高エネルギー密度の需要が高まるにつれて、ニッケル含有量が多いと構造安定性が悪く、湿度に敏感になるなどの問題が実用化の課題となっています。大手リチウムバッテリーメーカーは、表面コーティングを使用して材料の性能を調整することがよくあります。
表面コーティング 高ニッケル材料の構造を効果的に安定化できます。表面コーティング技術は、電極材料と電解質の接触面積を減らします。これにより、表面不純物と電解質の副反応が減少し、電子伝導性が向上します。三元カソード材料の安定性が向上し、サイクル寿命が長くなります。一般的な表面コーティング材料には、金属酸化物、リン酸塩、その他の安定した電極材料が含まれます。
各種粉体材料の混合・分散
リチウムイオン電池の電極の製造では、活物質、バインダー、溶剤、添加剤などのさまざまな成分を添加して混合し、スラリーを形成します。
そのため、粒子の分散と組成の均一性が非常に重要になります。
実際の撹拌プロセスでは、電極材料は非常に複雑な変化を起こします。強い物理的相互作用に加えて、特定の化学的相互作用もあります。
たとえマクロ的に均一性が達成されたとしても、顕微鏡下ではまだ材料粒子の凝集体が存在する可能性があります。したがって、電極材料の混合は、マクロ的に均一であるだけでなく、ミクロ的にも比較的均一である必要があります。混合物が均一であるほど、バッテリーの性能が向上します。
さらに、2 種類以上の電極材料を均一に混合することで、バッテリー性能の向上やコストの最適化を実現できます。
バッテリー技術の継続的な進歩と向上に伴い、リチウムバッテリー均質化システムや粉末供給システムなどの生産設備も絶えず革新と向上を続けています。
多くのリチウム電池機器サプライヤーは、混合と分散のメカニズムを詳細に研究しています。彼らの目標は、生産ラインの統合度の向上、効率の向上、エネルギー消費量の削減、よりスマートな製造を実現することです。これらの進歩は、プロセスの改善と高品質の製品製造の基盤を形成します。また、粉体技術の工業化を表しています。
結論
粉末技術は、リチウム電池の電極材料の処理や電池製造にも広く応用されています。粉末技術は超微粉砕機と切り離すことはできません。超微粉砕機の粉末処理技術は、オートバイや魚群探知機の電池などのリチウム電池製品の準備、後処理、電極製造における重要な技術となっています。これは、リチウムイオン電池の性能向上に重要な役割を果たします。
粉体業界は複数の分野にまたがっており、機器やプロセスの原則が重複しています。
粉末技術の観点からリチウム電池の電極材料に関する新たな知見を得ることは、材料の準備と応用の重要な側面を統合するのに役立ちます。このアプローチにより、新たなイノベーションの機会を特定し、リチウム電池業界の発展をさらに促進することができます。
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