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高鎳三元前驅(qū)體制備過程中的影響因素

發(fā)布時間:2023-03-30 16:13:00 點擊:

三元材料鎳鈷錳(NCM),具有高比容量、長循環(huán)壽命、低毒和廉價的特點。此外,三種元素之間具有良好的協(xié)同效應(yīng),因此受到了廣泛的應(yīng)用。

NCM 中,鎳是主要的氧化還原反應(yīng)元素,因此,提高鎳含量可以有效提高NCM 的比容量。高鎳含量NCM材料(Ni的摩爾分數(shù)≥0.6)具有高比容量和低成本的特點,但也存在容量保持率低,熱穩(wěn)定性能差等缺陷。高鎳 NCM 材料的性能和結(jié)構(gòu)與前驅(qū)體的制備工藝緊密相關(guān),不同的條件直接影響產(chǎn)品的最終結(jié)構(gòu)和性能。

制備工藝條件對高鎳前驅(qū)體物化性能的影響


高鎳三元前驅(qū)體主要的制備工藝條件有:氨水濃度、pH值、反應(yīng)溫度、固含量、反應(yīng)時間、成分含量、雜質(zhì)、流量、反應(yīng)氣氛、攪拌強度等。

氨濃度對高鎳前驅(qū)體物化性能影響


氨水是反應(yīng)絡(luò)合劑,主要作用是絡(luò)合金屬離子,達到控制游離金屬離子目的,降低體系過飽和系數(shù),從而實現(xiàn)控制顆粒長大速度和形貌。所以制備不同組成的三元前驅(qū)體,所需的氨水濃度也不同。

從上圖可以看出氨濃度較低時顆粒形貌疏松多孔,致密性差,而較高的氨濃度得到的前驅(qū)體顆粒致密。但是絡(luò)合劑的用量也不是越多越好,絡(luò)合劑用量過多時,溶液中被絡(luò)合的鎳鈷離子太多,會造成反應(yīng)不完全,使前驅(qū)體的鎳、鈷、錳的比例偏離設(shè)計值,而且被絡(luò)合的金屬離子會隨上清液排走,造成浪費,給后續(xù)廢水處理造成更大的困難。綜上,氨濃度需控制在5~9g/L。


沉淀pH對高鎳前驅(qū)體影響


沉淀過程中的pH直接影響晶體顆粒的生成、長大。

由于鎳、鈷、錳的沉淀pH值不同,所以不同組分的三元材料前驅(qū)體的最佳反應(yīng)pH值不同。


隨著沉淀pH值升高,一次粒子逐漸細化,顆粒球形度變好,前驅(qū)體樣品振實密度逐步升高。

綜上,需根據(jù)實際生產(chǎn)工藝的需求選取合適的沉淀pH值,不可過高,也不可過低。

沉淀溫度對高鎳前驅(qū)體物化性能影響


溫度主要是影響化學(xué)反應(yīng)速率。在前驅(qū)體的反應(yīng)中,溫度越高反應(yīng)速率越快,但是溫度過高會造成前驅(qū)體氧化,進而造成反應(yīng)過程無法控制、前驅(qū)體結(jié)構(gòu)改變等問題,所以在不影響反應(yīng)的前提下溫度盡量高一點。在反應(yīng)過程中pH會隨著溫度的降低而升高,所以維持溫度的恒定也很重要。


固含量對高鎳前驅(qū)體物化性能影響


這里的固含量是指在前驅(qū)體反應(yīng)過程中,前驅(qū)體漿料的固體質(zhì)量和液體質(zhì)量的比值。適當提高料漿固含量可優(yōu)化產(chǎn)品形貌、提高產(chǎn)品的振實密度。

從上圖可以看出高固含量下制備得到高鎳前驅(qū)體,顆粒致密性好,球形度更好,粒度分布更為集中,一次粒子晶界模糊。


攪拌速度對高鎳前驅(qū)體物化性能影響


攪拌速度對晶體結(jié)晶過程影響較大,從而影響前驅(qū)體的振實密度。

從上圖可以看出隨著攪拌轉(zhuǎn)速的升高,高鎳前驅(qū)體的振實密度逐漸增大,在攪拌轉(zhuǎn)速>300rpm后,振實密度趨于穩(wěn)定,所以反應(yīng)釜體系攪拌轉(zhuǎn)速控制300~360rpm之間較為合適。

雜質(zhì)對高鎳前驅(qū)體物化性能影響

在實際生產(chǎn)過程中,少量的有機溶劑會對共沉淀反應(yīng)造成很大困擾,而鎳鈷錳原料提純過程中會用到有機溶劑,少量的有機溶劑會帶到前驅(qū)體的反應(yīng)中。

料液油分越高,振實密度越低,前驅(qū)體的形貌變得疏松,無法成球,造成顆粒無法生長,粒度分布寬化。

研究結(jié)果表明,若得到高振實高鎳前驅(qū)體,料液油分控制必須≤5ppm。


小結(jié)


目前國內(nèi)各大車企與電池廠商爭相邁向高鎳之路,此前報道寧德時代預(yù)計明年將推出高鎳三元811電池。鈷價的持續(xù)上漲削弱了電池企業(yè)的盈利能力,而 NCM811 的鈷分子含量為 6.06%,僅為NCM523 和 NCM622一半左右。因此,NCM811 單噸對應(yīng)鈷的用量下降50%左右。但是高鎳三元材料的技術(shù)難題一直是阻擋其發(fā)展的重要問題,未來還需要繼續(xù)針對高鎳三元材料的性能,尤其是安全性能做大量研究。

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