Kas yra anglies danga?

Pagrindinė idėja yra paprasta: - ant akumuliatoriaus medžiagų nudedate ploną anglies sluoksnį, kad jos taptų laidesnės. LFP be anglies dangos laidumas yra apie 10^-9 S/cm, o tai iš esmės yra izoliatorius. Pridėkite 2–3 masės % anglies dangos ir gausite 10^-3 S/cm, tiek, kad būtų sukurtas funkcionalus akumuliatorius.

Savo objekte valdome ir CVD sistemas, ir šlapio cheminio dengimo linijas. CVD suteikia geresnį vienodumą, bet kainuoja daugiau. Drėgna danga puikiai tinka daugeliui pritaikymų, o įranga yra paprastesnė.

Peržiūrėkite mūsų CVD dengimo galimybes, kad gautumėte daugiau informacijos apie aukščiausios klasės{0}} parinktį.

Kodėl verta dengti medžiagas anglimi?

Daugumai fosfatų{0}}pagrįstų katodų to reikia. Elektroninis laidumas baisus be dangos. Geležies fosfatas, mangano fosfatas - ta pati istorija. Net kai kuriems oksidiniams katodams dengimas yra naudingas, jei stumiate didelius C{5}}greitas.

Danga taip pat veikia kaip apsauginis sluoksnis tarp katodo ir elektrolito. Tai svarbiau esant aukštai temperatūrai, kai greitėja šalutinės reakcijos. Pastebėjome, kad vien dėl padengimo ciklas pailgėja 40–50 %, ypač kai ląstelės veikia virš 45 laipsnių.

Silicio anodai yra kitoks gyvūnas. Tūrio padidėjimas važiuojant dviračiu (300–400 %) sulaužys daugumą dangų. Jums reikia lanksčių anglies struktūrų arba danga sugenda po kelių ciklų. Mes dirbome su šia problema trejus metus, kol gavome formulę, kuri iš tikrųjų atlaikė 200 ciklų.

CVD dengimo procesas

Mūsų CVD sąrankoje naudojamas acetileno arba metano dujos 650-750 laipsnių temperatūroje. Srauto greitis priklauso nuo partijos dydžio – paprastai 50–200 sccm 100 kg partijai. Dujos skyla ant dalelių paviršiaus ir sudaro anglies sluoksnį.

Storis valdomas pagal laiką ir temperatūrą{0}} minutes, esant 700 laipsnių kampui, gaunamas maždaug 5–8 nm, priklausomai nuo substrato. Jei jums reikia storesnės dangos, naudokite ją ilgiau, tačiau saugokitės, kad neužsikimštų poros, ypač naudojant didelio paviršiaus ploto medžiagas.

Grafitinis CVD anglies kiekis yra didesnis nei naudojant šlapius cheminius metodus, o tai reiškia geresnį laidumą. Acetilenas suteikia daugiau grafitinės anglies nei metanas, tačiau jis taip pat yra brangesnis ir yra skausmingas saugiai tvarkyti.

Mūsų CVD linijos partijos dydis svyruoja nuo 10 kg iki 200 kg. Galimos didesnės partijos, tačiau temperatūros vienodumas tampa problema. Mes tai išmokome sunkiai, - kartą paleidome 500 kg partiją, o medžiagos danga nuo centro ir kraštų labai skyrėsi.

Drėgnas cheminis metodas

Miltelius sumaišykite su gliukozės tirpalu, išdžiovinkite, tada pirolizuoti azoto atmosferoje. Cukrus karbonizuojasi ir padengia daleles. Paprasta koncepcija, tačiau norint, kad ji būtų vienoda, reikia šiek tiek bandymų ir klaidų.

Gliukozės tirpalo pH yra svarbus. Pagrindinių medžiagų, tokių kaip LFP, pH palaikome maždaug 4-5, todėl gliukozė geriau sukimba. Džiovinimo etapas yra labai svarbus – jei džiūstate per greitai, susidaro gumulėlių. Dabar naudojame purškiamą džiovinimą, kuris veikia daug geriau nei mūsų senoji rotacinė džiovykla.

Pirolizės temperatūra paprastai yra 500–650 laipsnių gliukozei. Aukštesnė temperatūra suteikia daugiau grafitinės anglies, bet jūs pradedate deginti anglies išeigą. Citrinų rūgštis yra dar vienas pasirinkimas, duoda panašius rezultatus kaip ir gliukozė. Kai kurie klientai teikia pirmenybę sacharozei, tačiau, tiesą sakant, mes nepastebėjome didelio veikimo skirtumo.

Anglis iš šlapios dangos dažniausiai yra amorfinė su kai kuriais trumpo{0}}diapazono grafiniais domenais. Laidumas yra tinkamas, ne toks geras kaip CVD, bet pakankamai geras daugumai baterijų. Kaina yra maždaug 40% mažesnė nei CVD už kg padengtos medžiagos.

Programos, su kuriomis dirbome

LFP katodai tikriausiai sudaro 70% mūsų dangos tūrio. Standartinė specifikacija yra 2,5 masės % anglies, 8–10 nm storio. Kai kurie klientai nori 3 % už didesnius tarifus.

Taip pat padengiame LTO anodus, nors ir rečiau. Paprastai pakanka 1–1,5 masės % anglies, nes LTO laidumas nėra toks blogas kaip LFP. Danga padeda užtikrinti didelį įkrovimo greitį, kuris yra svarbus greito įkrovimo programoms.

NCM811 ir kiti nikelio{1}}turintys katodai kartais padengiami paviršiaus stabilumui, o ne laidumui užtikrinti. Dangos storis yra plonesnis, gal 3-5 nm, tiek, kad sumažėtų tiesioginis katodo ir elektrolito kontaktas. Tai sumažina pereinamojo metalo tirpimą, kuris yra nikelio turinčių medžiagų gedimo būdas esant aukštai įtampai.

Kompozitiniai silicio anodai yra sudėtingi. Standartinė danga neveikia dėl tūrio padidėjimo problemos. Sukūrėme anglies dangos formulę, kuri turi tam tikrą elastingumą, naudodami polimerinę -anglį. Tai kainuoja daugiau, tačiau tai yra vienintelis būdas, kaip pasiekti tinkamą ciklo tarnavimo laiką. Net ir tada žiūrite į gal 500–800 ciklų, kol reikšmingas pajėgumas išnyks.

Viena automobilių pramonės įmonė norėjo, kad padengtume jų eksperimentinę{0}}mangano turtingą katodinę medžiagą. Šis projektas nepasiteisino - dengimo proceso metu medžiaga buvo chemiškai nestabili ir mes nuolat matėme fazių pokyčius. Kartais dengimas nėra išeitis.

Tikrieji skaičiai iš gamybos partijų

Praėjusį mėnesį klientui Pietų Korėjoje padengėme 3 tonas LFP. Tikslas buvo 2,8 masės % anglies. Partijos rezultatai svyravo nuo 2,65% iki 2,95%, o tai neviršija mūsų ±0,3% tolerancijos. Laidumas ant presuotų granulių buvo vidutiniškai 8,2 x 10^-3 S/cm.

Palyginimui, ta pati medžiaga nepadengta buvo 2,1 x 10^-9 S/cm. Tai maždaug 4 milijonus kartų geresnis laidumas, nors presuotų granulių laidumo palyginimas su dalelių laidumu nėra tobula metodika.

Ciklo gyvavimo trukmė su monetų elementais (C/3 įkrovimas, C/3 iškrova, 2,5–3,8 V diapazonas) parodė, kad po 1000 ciklų 25 laipsnių kampu talpa išlaikoma 91 %. Kliento tikslas buvo 90%, taigi jis atitiko.

Rodomi diapazonai yra tai, ką iš tikrųjų pasiekiame gamyboje, o ne teoriniai tikslai.

Dangos kokybės problemos, kurias matėme

Nepilnas padengimas yra dažniausia problema, ypač naudojant šlapią dangą. Dalelių paviršiuje atsiranda plikų dėmių, kurios sukuria vietinę srovės koncentraciją važiuojant dviračiu. Tai rodoma, kai talpa išnyksta po 200–300 ciklų.

Per stora danga blokuoja ličio difuziją. Turėjome vieną partiją, kurioje danga buvo 25 nm, o ne tikslinė 10 nm dėl temperatūros kontrolės problemos. Greitis buvo pastebimai prastesnis - ląstelės neatlaikė 1C iškrovos be didelio įtampos kritimo.

Kita problema yra anglies oksidacija sandėliavimo metu. Padengtus miltelius reikia laikyti sausomis sąlygomis. Turėjome klientą, kuris šešis mėnesius laikė medžiagas drėgname sandėlyje ir anglies kiekis sumažėjo nuo 2,5% iki 1,9%. Anglis lėtai oksiduojasi drėgname ore.

Įranga ir talpa

Mūsų pagrindinė CVD krosnis gali apdoroti 200 kg partijas. Taip pat turime mažesnę MTEP krosnį, skirtą 5–10 kg partijomis, kai klientai nori išbandyti dangą ant naujų medžiagų. MTTP partijų apyvarta paprastai yra 1–2 savaitės. Gamybos partijos užtrunka 3-4 savaites nuo medžiagos gavimo iki išsiuntimo.

Šlapio dengimo linija turi didesnį pralaidumą, iki 500 kg vienai partijai. Apribojantis veiksnys paprastai yra purškimo džiovyklės talpa, o ne pirolizės krosnis.

Kitais metais plečiame pajėgumus naudodami naują CVD sistemą, kuri turėtų būti prijungta iki Q2 2026. Tikslinė talpa yra 300 kg partijos, kuri padės kai kuriems didesniems klientams.

Vystymo darbai

Jei turite medžiagą, kuriai gali būti naudinga padengti, bet nesate tikri, galime atlikti kūrimo testus. Mažiausias kiekis paprastai yra 200 gramų. Išbandysime 2–3 skirtingas dengimo sąlygas ir pateiksime padengtus mėginius bei elektrocheminius duomenis iš monetų elementų.

Kūrimo kaina priklauso nuo testavimo apimties. Pagrindinis dangos įvertinimas atliekant monetų elementų testavimą kainuoja apie 3500 USD. Jei jums reikia išsamesnių bandymų, pvz., pilnų ląstelių kūrimo ar ilgalaikio -ciklavimo, galime tai pacituoti atskirai.

Viena problema, su kuria susiduriame vykdydami kūrimą, yra ta, kad laboratorijos rezultatai ne visada virsta gamybos mastu. Dengėme 50 gramų masę sveriančią medžiagą, kuri atrodė puikiai, bet kai padidinome iki 50 kg, dangos vienodumas buvo baisus. Dalelių dydžio pasiskirstymas ir paviršiaus plotas turi įtakos dangos veikimui, o kartais tai, kas veikia maža, neveikia didelė.

Kainos veiksniai

CVD danga padidina maždaug 2–4 USD už kg medžiagų kainą, priklausomai nuo partijos dydžio ir dangos specifikacijos. Drėgna cheminė danga kainuoja 1,50–2,50 USD už kg.

Minimalus užsakymas gamybinei dangai paprastai yra 50 kg. Dėl sąrankos sąnaudų jis neefektyvus. Už plėtojimą iki 50 kg imame nustatymo mokestį.

Jei iš mūsų perkate pirmtaką (nepadengtus miltelius) ir verčiate ją padengti, paprastai galime gauti geresnę kainą nei atsiųsdami mums savo medžiagą. Logistika paprastesnė, o mes jau esame susitarę su medžiagų tiekėjais.

Gabenant dengtą medžiagą reikia šiek tiek atsargumo, nes milteliai yra labiau piroforiški nei nepadengta medžiaga. Naudojame JT-patvirtintą pakuotę ir siunčiame tik antžeminiu transportu. Dėl gaisro pavojaus daugumos anglimi dengtų medžiagų oro transportu neleidžiama.

Testavimas ir specifikacijos

Standartiniai bandymai, kuriuos teikiame kiekvienai partijai:

Anglies kiekis pagal degimo analizę (±0,1 masės%)

Bakstelėjimo tankis

Dalelių dydžio pasiskirstymas (D10, D50, D90)

Drėgmės kiekis

SEM vaizdai (pateikiami pagal užsakymą)

Galimi papildomi bandymai:

Presuotų granulių laidumo matavimas

BET paviršiaus plotas

XRD kristalų struktūrai

TEM skerspjūviai{0}}dangos storiui patikrinti

ICP{0}}MS priemaišų analizei

Monetų elementų testavimas (važiavimo dviračiu, greičio galimybė, varža)

Dauguma klientų nori tik pagrindinio testavimo ir laidumo matavimo. Išsami apibūdinimas prailgina maždaug savaitę ir kainuoja papildomai.

Ko mes nedarome

Mes nedengiame elektrodų lakštų. Mūsų įranga skirta milteliniam dažymui. Jei jums reikia padengti jau pagamintus{2}}elektrodus, tai yra visiškai kitoks procesas.

Taip pat netvarkome medžiagų, keliančių rimtų saugos problemų. Jokių ličio metalo miltelių, jokių labai orui{1}}jautrių medžiagų. Standartinės baterijų medžiagos yra tinkamos, bet jei medžiaga savaime užsidega ore, mes negalime su ja dirbti.

Itin{0}}aukšto grynumo danga (puslaidininkinė klasė) nėra mūsų dėmesio centre. Esame pasiruošę naudoti akumuliatoriaus medžiagas, o tai reiškia gerą grynumą, bet ne švaraus kambario lygį. Jei jums reikia sub-ppm taršos kontrolės, jums reikia kitokio tipo įrenginio.

Klientų pavyzdžiai

Akumuliatorių kompanija Mičigane atsiuntė mums savo silicio{0}}grafito kompozito anodo medžiagą. Jie matė, kad pajėgumai išnyko po 150 ciklų. Mes padengėme jį savo lanksčia anglies kompozicija ir jų ciklas buvo iki 600 ciklų. Medžiagos kaina padidėjo 3,50 USD/kg, tačiau pagerėjus našumui, tai pateisino jų taikymą.

Kitas projektas buvo padengtas NCM811, skirtas Europos automobilių pirkėjui. Jie nerimavo dėl galios išnykimo esant aukštai įtampai (4,3 V atjungimas). Standartinis NCM811 parodė 15% pajėgumo praradimą po 500 ciklų. Su 1 masės % anglies danga ir šiek tiek paviršiaus apdirbimo sumažinome iki 8 % talpos. Danga nebuvo vienintelis veiksnys, - jie taip pat optimizavo savo elektrolitą -, bet tai padėjo.

Dirbome su tyrimų grupe, kuriant naują katodo sudėtį (ličio{0}}turtingas NCM variantas). Medžiaga turėjo gerą talpą, bet siaubingą greitį. Padengus 2% anglimi, iškrovos talpa 1C temperatūroje pagerėjo nuo 140 mAh/g iki 168 mAh/g. Laidumas buvo ribojantis šios medžiagos veiksnys.

Kartais dengimas problemos neišsprendžia. Turėjome klientų, kurių talpa greitai išnyko, ir jie manė, kad danga tai išspręs. Ištyrę nustatėme, kad jų išblukimas atsirado dėl anodo padengimo ličiu greitojo įkrovimo metu. Katodo dengimas to nepadėjo. Mes rekomendavome jiems pažvelgti į savo įkrovimo protokolą.

Techniniai ištekliai

Mes paskelbėme keletą straipsnių apie anglies dangą, jei norite gauti daugiau informacijos apie mokslą. Dauguma jų yra už mokamų sienų, tačiau galime išsiųsti PDF failus, jei susisieksite su mumis.

Jei dirbate su ličio geležies fosfato medžiagomis ir norite suprasti akumuliatoriaus chemijos aspektą, šis straipsnis apie [ličio jonų fosfato baterija] gana gerai apima pagrindus. Akumuliatoriaus chemijos supratimas padeda paaiškinti, kodėl danga turi tokį skirtumą būtent LFP.