Trong sản xuất pin lithium-ion, quá trình nghiền siêu mịn anot Đây là một bước quan trọng, đặc biệt đối với các điện cực anot bằng than chì tự nhiên hoặc nhân tạo (và ngày càng quan trọng đối với các vật liệu composite gốc silicon hoặc silicon-carbon). Mục tiêu là đạt được kích thước hạt thường nằm trong phạm vi dưới micromet đến vài micromet (ví dụ: D50 từ 5–15 μm hoặc nhỏ hơn đối với một số điện cực anot tiên tiến), với phân bố kích thước hạt hẹp, độ cầu cao (đặc biệt là đối với quá trình cầu hóa than chì tự nhiên), và diện tích bề mặt riêng tối đa để nâng cao hiệu suất điện hóa.
Tuy nhiên, quá trình giảm kích thước bằng năng lượng cao này tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm kim loại đáng kể — chủ yếu là sắt (Fe), nhưng cũng bao gồm crom (Cr), niken (Ni), đồng (Cu), nhôm (Al) và các kim loại khác. Ngay cả ở nồng độ rất nhỏ (thường yêu cầu <10–50 ppm đối với Fe trong các vật liệu cao cấp dùng cho pin) cũng có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ an toàn và tuổi thọ chu kỳ của pin:
- Các hạt kim loại đóng vai trò là chất xúc tác → đẩy nhanh quá trình hình thành lớp SEI và phân hủy chất điện giải.
- Chúng có thể gây ra hiện tượng đoản mạch nhỏ, hình thành các nhánh tinh thể lithium hoặc kích hoạt hiện tượng quá nhiệt.
- Đặc biệt, sự nhiễm bẩn sắt phản ứng trực tiếp với lithi và làm giảm hiệu suất Coulomb.
Các nguồn gây ô nhiễm kim loại chính trong Nghiền siêu mịn
Nguyên nhân chính gây ô nhiễm là do sự mài mòn của vật liệu nghiền, lớp lót và các bộ phận phân loại trong quá trình nghiền cường độ cao.
Các phương pháp nghiền siêu mịn phổ biến cho cực dương pin bao gồm:
- Máy nghiền phản lực đối diện tầng sôi (Loại AFG) → chiếm ưu thế đối với than chì nhạy cảm với chất gây ô nhiễm.
- Máy nghiền tác động cơ học với bộ phân loại (ví dụ: kiểu ACM với các biến thể đặc biệt dành cho pin).
- Máy nghiền bi / Máy nghiền bi khuấy (Nghiền siêu mịn ướt, dùng cho vật liệu composite silicon-graphit hoặc phân tán trước khi phủ).
- Máy nghiền bi hành tinh / máy nghiền bi khuấy (Ít phổ biến hơn đối với cực dương cuối cùng do nguy cơ nhiễm bẩn cao hơn).
Các nguồn gây ô nhiễm chính:
- Sự mài mòn của vật liệu mài (hạt cườm, quả bóng).
- mài mòn thân máy nghiền / lớp lót / vòi phun / bánh xe phân loại.
- Hệ thống cấp liệu/vận chuyển, hiện tượng bong tróc hạt kim loại.
- Các hạt bụi trong không khí/khí (nếu không được lọc đúng cách).
Các chiến lược chính để ngăn ngừa ô nhiễm kim loại
Để đạt được độ tinh khiết cấp độ pin, ngành công nghiệp áp dụng phương pháp đa tầng kết hợp lựa chọn thiết bị, lựa chọn vật liệu, tối ưu hóa quy trình và xử lý sau sản xuất.
1. Chọn vật liệu tiếp xúc phi kim loại / ít mài mòn
| Thành phần | Vật liệu được đề xuất | Mục đích / Lợi ích | Giảm thiểu ô nhiễm điển hình |
|---|---|---|---|
| Lớp lót buồng nghiền | Gốm sứ (Al₂O₃, ZrO₂, SiC, Si₃N₄) | Tránh giải phóng sắt/crom | >90–95% so với thép |
| Vòi phun / tia nước | Gốm hoặc polyurethane | Gia tốc khí tốc độ cao không có kim loại | Cần thiết cho máy nghiền phản lực |
| Bánh xe phân loại | Phủ gốm hoặc phủ gốm toàn phần | Ngăn ngừa sự mài mòn trong quá trình phân loại tốc độ cao | Quan trọng đối với việc kiểm soát D90 |
| Vật liệu nghiền (máy nghiền bi) | Zirconia ổn định bằng yttria (YSZ), alumina tinh khiết, SiC | Độ mài mòn thấp nhất trong số các loại gốm đặc. | Fe <5–20 ppm có thể |
| Tránh xa | Thép không gỉ, thép mạ crom, kim loại cứng | Mức độ ô nhiễm cao ngay cả sau thời gian vận hành ngắn. | — |
Nhiều máy phay tia nước hiện đại dùng cho pin (ví dụ: các biến thể ACM-BC hoặc AFG đặc biệt) được thiết kế với các bộ phận tiếp xúc hoàn toàn bằng gốm để đạt được quá trình gia công gần như không có kim loại.
2. Chọn công nghệ phay phù hợp
- Ưu tiênMáy nghiền phản lực tầng sôi → tự nghiền bằng va chạm giữa các hạt, tiếp xúc tối thiểu giữa vật liệu nghiền và lớp lót → nguy cơ ô nhiễm thấp nhất đối với quá trình cầu hóa than chì và nghiền siêu mịn.
- Chấp nhận được (với các biện pháp phòng ngừa)Máy nghiền cơ học khô dạng va đập với các bộ phận bên trong bằng gốm.
- Sử dụng thận trọng.: Nghiền ướt bằng bi → chỉ sử dụng bi gốm có độ tinh khiết cao + chất phụ gia pH/bùn được tối ưu hóa để giảm mài mòn; thường được theo sau bởi quá trình tách từ tính.
- Tránh sử dụng ở bước cực dương cuối cùng.: Phương pháp nghiền bi thép truyền thống hoặc máy nghiền ma sát mà không có các biện pháp phòng ngừa đặc biệt.
3. Tối ưu hóa thông số quy trình để giảm thiểu hao mòn
- Giảm áp suất nghiền/lưu lượng khí trong máy nghiền khí nén (đánh đổi giữa năng suất và độ mịn).
- Kiểm soát thời gian nghiền và lượng năng lượng đầu vào → tránh nghiền quá mức.
- Sử dụng các chất điều khiển quá trình (PCA) trong quá trình nghiền ướt (ví dụ: độ pH tối ưu, chất phân tán) → giảm sự vón cục và mài mòn vật liệu nghiền.
- Duy trì nhiệt độ thấp → nhiệt độ cao sẽ đẩy nhanh quá trình ăn mòn/mài mòn.
4. Hệ thống điều khiển thượng nguồn và hệ thống phụ trợ
- Sử dụng nguyên liệu thô có độ tinh khiết cao (Hàm lượng kim loại tự nhiên thấp).
- Cài đặt bộ tách từ trong tuyến (độ dốc cao) sau khi nghiền.
- Thuê máy dò kim loại + Van xả tự động.
- Sử dụng khí nén/nitơ sạch, khô với bộ lọc HEPA.
- Hoạt động trong giống như phòng sạch hoặc môi trường khí quyển được kiểm soát (đặc biệt là cho quá trình xử lý tiếp theo).
- Thường xuyên xác thực vệ sinh (Siêu âm + dung môi) làm sạch tất cả các bề mặt tiếp xúc với sản phẩm.
5. Tinh chế sau khi nghiền (nếu cần)
Ngay cả khi áp dụng các biện pháp tốt nhất, kim loại vết vẫn có thể xuất hiện:
- Tách từ tính (nam châm đất hiếm mạnh) → loại bỏ các hạt Fe có tính chất từ tính.
- Chiết xuất axit (rất nhẹ nhàng, được kiểm soát) → được sử dụng tiết kiệm cho một số cực dương silicon nhất định.
- Phân loại không khí một lần nữa → loại bỏ các mảnh kim loại dày đặc.
- Giám sát ICP-MS → Kiểm tra định kỳ theo lô đối với Fe, Cr, Ni, v.v.
Tóm tắt – Sự kết hợp các phương pháp tối ưu nhất cho quá trình nghiền siêu mịn cực dương
Dùng để sản xuất cực dương cho pin lithium-ion hiệu suất cao (đặc biệt là loại dành cho xe điện):
- Sử dụng máy nghiền phản lực đối lưu tầng sôi với lớp lót gốm toàn phần và vòi phun gốm.
- Tránh sử dụng bất kỳ thành phần thép nào trong quy trình sản xuất.
- Triển khai hệ thống tách từ tích hợp + dò kim loại.
- Theo dõi hàm lượng Fe từng lô sản phẩm (mục tiêu <20 ppm đối với các loại cao cấp).
- Kết hợp với hệ thống vận chuyển sạch (ví dụ: các khớp nối linh hoạt cao cấp không bị bong tróc kim loại).
Việc thực hiện các biện pháp này có thể giảm thiểu ô nhiễm kim loại từ hàng trăm ppm (đối với hệ thống thép thông thường) xuống mức một chữ số hoặc thậm chí dưới ppm, từ đó trực tiếp cải thiện tuổi thọ chu kỳ, độ an toàn và hiệu suất chu kỳ đầu tiên của pin.
Kiểm soát ô nhiễm nghiêm ngặt trong bước nghiền siêu mịn cực dương không còn là tùy chọn nữa mà đã trở thành một trong những yếu tố cạnh tranh cốt lõi trong chuỗi cung ứng vật liệu pin.
Cảm ơn bạn đã đọc. Tôi hy vọng bài viết của tôi hữu ích. Vui lòng để lại bình luận bên dưới. Bạn cũng có thể liên hệ với bộ phận chăm sóc khách hàng trực tuyến của Zelda nếu có bất kỳ thắc mắc nào khác.
— Đăng bởi Emily Chen
