ในกระบวนการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนนั้น กระบวนการบดละเอียดพิเศษของขั้วบวก การขึ้นรูปอนุภาคเป็นขั้นตอนที่สำคัญอย่างยิ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับขั้วบวกกราไฟต์ธรรมชาติหรือกราไฟต์สังเคราะห์ (และมากขึ้นเรื่อยๆ สำหรับวัสดุที่ใช้ซิลิคอนหรือวัสดุผสมซิลิคอน-คาร์บอน) เป้าหมายคือการทำให้ได้ขนาดอนุภาคที่อยู่ในช่วงต่ำกว่าไมครอนไปจนถึงหลายไมครอน (เช่น D50 ที่ 5–15 ไมครอน หรือละเอียดกว่านั้นสำหรับขั้วบวกขั้นสูงบางชนิด) โดยมีการกระจายขนาดอนุภาคที่แคบ มีความเป็นทรงกลมสูง (โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับกราไฟต์ธรรมชาติที่ทำให้เป็นทรงกลม) และมีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงสุดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้า
อย่างไรก็ตาม กระบวนการลดขนาดอนุภาคด้วยพลังงานสูงนี้ก่อให้เกิดความเสี่ยงอย่างมากต่อการปนเปื้อนของโลหะ โดยหลักคือเหล็ก (Fe) แต่ยังรวมถึงโครเมียม (Cr) นิกเกล (Ni) ทองแดง (Cu) อลูมิเนียม (Al) และอื่นๆ แม้แต่ในระดับปริมาณเล็กน้อย (โดยทั่วไปกำหนดให้มีเหล็ก (Fe) น้อยกว่า 10–50 ppm ในวัสดุเกรดแบตเตอรี่คุณภาพสูง) ก็อาจส่งผลเสียอย่างร้ายแรงต่อความปลอดภัยและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้
- อนุภาคโลหะทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา → เร่งการเจริญเติบโตของ SEI และการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์
- สิ่งเหล่านี้สามารถก่อให้เกิดการลัดวงจรขนาดเล็ก การก่อตัวของเดนไดรต์ลิเธียม หรือการกระตุ้นให้เกิดภาวะความร้อนสูงเกินควบคุมได้
- โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การปนเปื้อนของเหล็กจะทำปฏิกิริยาโดยตรงกับลิเธียมและลดประสิทธิภาพทางคูลอมบ์ลง
แหล่งที่มาหลักของการปนเปื้อนโลหะใน การบดละเอียดพิเศษ
สาเหตุหลักของการปนเปื้อนคือการสึกหรอจากการเสียดสีของวัสดุบด แผ่นรอง และส่วนประกอบของเครื่องคัดแยกในระหว่างการบดที่มีความเข้มสูง
วิธีการบดละเอียดพิเศษที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการผลิตขั้วบวกของแบตเตอรี่ ได้แก่:
- เครื่องบดเจ็ทตรงข้ามแบบฟลูอิไดซ์เบด (ชนิด AFG) → เป็นตัวเลือกที่โดดเด่นสำหรับกราไฟต์ที่ไวต่อการปนเปื้อน
- เครื่องบดกระแทกเชิงกล โดยใช้ตัวจำแนกประเภท (เช่น รูปแบบ ACM พร้อมตัวเลือกพิเศษสำหรับแบตเตอรี่)
- เครื่องบดลูกปัด / เครื่องบดลูกปัดแบบกวน (การบดละเอียดพิเศษแบบเปียก ใช้สำหรับวัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-กราไฟต์ หรือการกระจายตัวก่อนการเคลือบ)
- เครื่องบดแบบดาวเคราะห์/แบบกวนด้วยลูกบอล (พบได้น้อยสำหรับขั้วบวกสุดท้าย เนื่องจากมีความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนสูงกว่า)
แหล่งปนเปื้อนที่สำคัญ:
- การสึกหรอของวัสดุบด (ลูกปัด, ลูกบอล)
- การสึกหรอของตัวเครื่องบด / ซับใน / หัวฉีด / ล้อคัดแยก.
- การหลุดร่วงของอนุภาคโลหะในระบบป้อน/ลำเลียง.
- อนุภาคในอากาศ/ก๊าซ (หากไม่ได้กรองอย่างถูกต้อง)
กลยุทธ์สำคัญในการป้องกันการปนเปื้อนของโลหะ
เพื่อให้ได้ความบริสุทธิ์ในระดับที่ใช้ในการผลิตแบตเตอรี่ อุตสาหกรรมจึงใช้วิธีการแบบหลายขั้นตอน ซึ่งผสมผสานการเลือกอุปกรณ์ การเลือกวัสดุ การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ และการประมวลผลหลังการผลิต
1. เลือกวัสดุสัมผัสที่ไม่ใช่โลหะ/สึกหรอต่ำ
| ส่วนประกอบ | วัสดุแนะนำ | วัตถุประสงค์ / ประโยชน์ | การลดมลพิษทั่วไป |
|---|---|---|---|
| วัสดุบุภายในห้องบด | เซรามิก (Al₂O₃, ZrO₂, SiC, Si₃N₄) | ป้องกันการปล่อยธาตุเหล็ก/โครเมียม | >90–95% เทียบกับเหล็กกล้า |
| หัวฉีด / เจ็ท | เซรามิกหรือโพลียูรีเทน | การเร่งความเร็วของก๊าซความเร็วสูงโดยปราศจากโลหะ | จำเป็นสำหรับเครื่องพ่นไอพ่น |
| ล้อจำแนกประเภท | เคลือบเซรามิกหรือเซรามิกล้วน | ป้องกันการสึกหรอระหว่างการคัดแยกด้วยความเร็วสูง | สำคัญสำหรับการควบคุม D90 |
| วัสดุบด (เครื่องบดลูกปัด) | เซอร์โคเนียที่เสถียรด้วยอิตเทรียม (YSZ), อลูมินาบริสุทธิ์, ซิลิกาคาร์ไบด์ (SiC) | มีอัตราการสึกหรอต่ำที่สุดในกลุ่มเซรามิกที่มีความหนาแน่นสูง | Fe <5–20 ppm เป็นไปได้ |
| หลีกเลี่ยง | เหล็กกล้าไร้สนิม, เหล็กชุบโครม, โลหะแข็ง | มีการปนเปื้อนสูงแม้ในการใช้งานระยะสั้น | — |
เครื่องบดเจ็ทแบบใช้แบตเตอรี่รุ่นใหม่หลายรุ่น (เช่น รุ่น ACM-BC หรือ AFG พิเศษ) ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะให้มีชิ้นส่วนสัมผัสเป็นเซรามิกทั้งหมด เพื่อให้ได้กระบวนการแปรรูปที่เกือบปราศจากโลหะ
2. เลือกเทคโนโลยีการกัดที่เหมาะสม
- ที่ต้องการ: เครื่องบดแบบเจ็ทตรงข้ามในเตาเผาแบบฟลูอิไดซ์เบด → บดเองโดยการชนกันของอนุภาค ลดการสัมผัสระหว่างตัวกลาง/วัสดุบุรองให้น้อยที่สุด → ความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนต่ำที่สุดสำหรับการสร้างทรงกลมกราไฟต์และการบดละเอียดพิเศษ
- ยอมรับได้ (โดยมีข้อควรระวัง): เครื่องบดแบบกระแทกแห้งเชิงกล พร้อมชิ้นส่วนภายในทำจากเซรามิก
- ควรใช้ด้วยความระมัดระวังการบดด้วยลูกปัดเปียก → ใช้เฉพาะลูกปัดเซรามิกที่มีความบริสุทธิ์สูง + สารเติมแต่ง pH/สารละลายที่เหมาะสมเพื่อลดการสึกหรอ มักตามด้วยการแยกด้วยแม่เหล็ก
- หลีกเลี่ยงขั้นตอนแอโนดสุดท้าย: การบดด้วยลูกเหล็กแบบดั้งเดิมหรือเครื่องบดแบบเสียดสีโดยไม่ใช้มาตรการป้องกันอย่างเข้มงวด
3. การปรับพารามิเตอร์กระบวนการให้เหมาะสมเพื่อลดการสึกหรอ
- ลดแรงดันการบด/อัตราการไหลของก๊าซในเครื่องบดแบบเจ็ท (เป็นการแลกเปลี่ยนระหว่างปริมาณการผลิตและความละเอียด)
- ควบคุมเวลาในการบดและพลังงานที่ป้อนเข้าไป → เพื่อหลีกเลี่ยงการบดมากเกินไป
- ใช้สารควบคุมกระบวนการ (PCA) ในการบดเปียก (เช่น ค่า pH ที่เหมาะสม สารช่วยกระจายตัว) → ช่วยลดการจับตัวเป็นก้อนและการสึกหรอของวัสดุบด
- รักษาอุณหภูมิให้ต่ำ → อุณหภูมิสูงจะเร่งการกัดกร่อน/การสึกหรอ
4. การควบคุมระบบต้นน้ำและระบบเสริม
- ใช้ วัตถุดิบที่มีความบริสุทธิ์สูง (ปริมาณโลหะต่ำ)
- ติดตั้ง เครื่องแยกแม่เหล็กแบบอินไลน์ (ความชันสูง) หลังจากการกัด
- จ้างงาน เครื่องตรวจจับโลหะ + วาล์วคัดแยกอัตโนมัติ
- ใช้ลม/ไนโตรเจนอัดแห้งสะอาดที่มีระบบกรองระดับ HEPA
- ดำเนินการใน เหมือนห้องปลอดเชื้อ หรือสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมบรรยากาศ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการจัดการในขั้นตอนต่อไป)
- ปกติ การตรวจสอบความถูกต้องของการทำความสะอาด (อัลตราโซนิก + ตัวทำละลาย) สำหรับพื้นผิวที่สัมผัสกับผลิตภัณฑ์ทั้งหมด
5. การทำให้บริสุทธิ์หลังการบด (ถ้าจำเป็น)
แม้จะปฏิบัติตามแนวทางที่ดีที่สุดแล้ว ก็ยังอาจพบโลหะหนักปนเปื้อนได้:
- การแยกแม่เหล็ก (แม่เหล็กหายากชนิดแรงสูง) → กำจัดอนุภาคเหล็กเฟอร์โรแมกเนติก
- การชะล้างด้วยกรด (อ่อนมาก ควบคุมได้) → ใช้ในปริมาณน้อยสำหรับขั้วบวกซิลิคอนบางชนิด
- การจำแนกประเภทอากาศ อีกครั้ง → กำจัดเศษโลหะที่มีความหนาแน่นสูง
- การตรวจสอบด้วย ICP-MS → การทดสอบแบบกลุ่มตามปกติสำหรับ Fe, Cr, Ni เป็นต้น
สรุป – การผสมผสานแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการบดละเอียดพิเศษของขั้วแอโนด
สำหรับการผลิตขั้วบวกแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประสิทธิภาพสูง (โดยเฉพาะเกรดสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า):
- ใช้เครื่องบดแบบเจ็ทตรงข้ามแบบฟลูอิไดซ์เบดที่มีซับในเซรามิกเต็มรูปแบบและหัวฉีดเซรามิก
- ควรหลีกเลี่ยงการนำส่วนประกอบที่เป็นเหล็กเข้ามาในกระบวนการผลิต
- ติดตั้งระบบแยกแม่เหล็กแบบอินไลน์ + การตรวจจับโลหะ
- ตรวจสอบปริมาณธาตุเหล็ก (Fe) ในแต่ละล็อตการผลิต (เป้าหมายคือ <20 ppm สำหรับเกรดพรีเมียม)
- ใช้ร่วมกับระบบลำเลียงที่สะอาด (เช่น ตัวเชื่อมต่อแบบยืดหยุ่นคุณภาพสูงที่ปราศจากเศษโลหะ)
การนำมาตรการเหล่านี้ไปใช้สามารถลดการปนเปื้อนของโลหะจากหลายร้อย ppm (ระบบเหล็กแบบดั้งเดิม) เหลือเพียงระดับหลักเดียวหรือต่ำกว่า ppm ซึ่งจะช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ ปรับปรุงความปลอดภัย และเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้งานรอบแรกได้โดยตรง
การควบคุมการปนเปื้อนอย่างเข้มงวดในขั้นตอนการบดละเอียดพิเศษของขั้วบวกไม่ใช่เรื่องที่เลือกได้อีกต่อไป แต่ได้กลายเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญในการแข่งขันในห่วงโซ่อุปทานวัสดุแบตเตอรี่
ขอบคุณที่อ่านนะคะ หวังว่าบทความของฉันจะเป็นประโยชน์นะคะ แสดงความคิดเห็นไว้ด้านล่างได้เลยค่ะ หรือหากมีข้อสงสัยเพิ่มเติม สามารถติดต่อตัวแทนฝ่ายบริการลูกค้าออนไลน์ของ Zelda ได้ค่ะ
— โพสต์โดย เอมิลี่ เฉิน
