Kathodenmaterialien, eines der vier Hauptmaterialien in Lithiumbatterien (cathode, anode, separator, and electrolyte), are crucial components of lithium batteries. They also account for a large portion of the battery’s cost. The cost of cathode materials largely determines the price of the battery. Among lithium battery cathode materials, mainstream materials include lithium cobalt oxide (LCO), lithium iron phosphate (LFP), lithium manganese iron phosphate (LMFP), nickel cobalt manganese lithium oxide (NCM), and lithium manganese oxide (LMO), among others. Their production processes differ slightly, but the fundamental principles are similar. The precursor materials are mixed with lithium carbonate or lithium hydroxide and then heated at high temperatures to obtain the product.
Die Herstellung von Lithiumeisenphosphat erfolgt im Wesentlichen über zwei Verfahren: das Festphasen- und das Flüssigphasenverfahren. Das Festphasenverfahren umfasst verschiedene Ansätze, wie beispielsweise das Phosphat-Eisen-Verfahren, das Eisen-Verfahren, das Eisenrot-Verfahren und das Oxalat-Eisen-Verfahren. Jedes Verfahren hat seine spezifischen Vor- und Nachteile. Das Flüssigphasenverfahren, insbesondere das von Defang Nano entwickelte Selbstverdampfungsverfahren, ist technologisch anspruchsvoll. Dieser Artikel erläutert beispielhaft das gängige Phosphat-Eisen-Verfahren.
Mischen und Mahlen
The reaction materials are ground and fully mixed to ensure that the reaction proceeds effectively during the subsequent sintering process. The equipment used in this step is a sand mill. The main raw materials, including iron phosphate, lithium carbonate, carbon source (such as glucose, sucrose, polyethylene glycol, etc.), dispersing agent, and additives, are added to the mixing equipment in precise stoichiometric proportions. Pure water or ethanol is used for pre-dispersion, followed by grinding in a sand mill. This process continues until the desired particle size (usually under 500nm) is achieved.
The iron phosphate and lithium carbonate are the main reactants. The carbon source plays an important role in forming a carbon coating on the lithium iron phosphate surface during high-temperature sintering. This improves its conductivity and prevents the formation of Fe³⁺. The dispersing agent enhances the dispersion and solid content of the slurry. Some high-molecular materials also form a carbon coating after sintering to improve the material’s performance.
Additive wie leitfähiger Graphit, Kohlenstoffnanoröhren oder Metalloxide verbessern die Leitfähigkeit, die Leistung bei hohen/niedrigen Temperaturen und die Zyklenstabilität des Endprodukts.
Sprühtrocknung
In diesem Schritt wird das Lösungsmittel aus der Mahlsuspension entfernt. Dadurch wird die Suspension in ein trockenes Pulver für den anschließenden Sinterprozess umgewandelt. Hierfür wird ein Sprühtrockner verwendet.
Die Suspension wird mittels einer Zentrifugaldüse in kleine Tröpfchen zerstäubt. Diese Tröpfchen kommen anschließend mit erhitzter Luft in Kontakt. Dadurch verdampft das Lösungsmittel, und es bleiben feste Pulverpartikel zurück. Diese Partikel werden dann von einem Zyklonabscheider aufgefangen. Durch Sprühtrocknung wird die Suspension zu trockenem Pulver, das zum Sintern bereit ist.
Sintern
Das Pulvergemisch durchläuft in einem mit Stickstoff geschützten Ofen eine Hochtemperaturreaktion – der entscheidende Schritt im Prozess. Temperatur und Dauer des Sinterprozesses beeinflussen die Eigenschaften des Endprodukts maßgeblich. Typischerweise wird ein Rollenofen mit einer Länge von mehreren Metern verwendet.
Die Hauptreaktion lautet wie folgt:
FePO₄ + Li₂CO₃ + C₆H₁₂O₆ → LiFePO₄/C + H₂O + CO₂
Das sprühgetrocknete Pulver wird in Tiegel gefüllt und im Ofen unter Stickstoffatmosphäre bei Temperaturen von 700–800 °C mehrere Stunden (üblicherweise 10 bis 20 Stunden) erhitzt. Nach dem Abkühlen erhält man das Produkt. Vor dem Sintern ist das Pulver hellgelb, nach dem Sintern schwarz.
Superfeinmahlung und Eisenentfernung
Nach dem Sintern muss das Lithiumeisenphosphat-Produkt weiter zerkleinert werden, um die gewünschte Partikelgröße zu erreichen. Während des Produktionsprozesses können Eisenverunreinigungen eingebracht werden. Diese Verunreinigungen müssen entfernt werden.
Dies kann mithilfe von Geräten wie beispielsweise einem/einer Strahlmühle (air jet mill) equipped with an iron-removal device. Jet mills can effectively reduce the particle size while simultaneously separating impurities. This ensures that the final lithium iron phosphate product has a high purity. After the iron removal, the product is packaged for shipment.
Abschluss
Lithium-Eisenphosphat ist das wichtigste Kathodenmaterial für Lithiumbatterien. Es wird aufgrund seiner geringen Kosten, hohen Sicherheit und langen Lebensdauer bevorzugt. Diese Eigenschaften machen es marktführend. Das Eisenphosphatverfahren ist der wichtigste Herstellungsweg für Lithium-Eisenphosphat. Obwohl der Prozess relativ einfach ist, hängt die Qualität des Endprodukts stark von der Qualität des Eisenphosphat-Vorläufers ab.
Andere Verfahren, wie beispielsweise das Oxalat-Eisen-Verfahren, gewinnen allmählich Marktanteile. Mit diesen Verfahren lassen sich Materialien mit höherer Schüttdichte herstellen.
Epic Powder, a leading manufacturer of jet mills, provides advanced, efficient powder processing solutions for the lithium battery industry. Its state-of-the-art jet mill equipment excels in both particle size reduction and iron impurity removal. By utilizing Epic Powder’s jet mills, producers can ensure the highest quality lithium iron phosphate, enhancing the overall performance and longevity of lithium-ion batteries. As technology continues to advance, jet mills will play an increasingly important role in improving the efficiency and sustainability of lithium battery material production.
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— Gepostet von Emily Chen