Бёмит (AlO(OH)) стал доминирующим керамическим покрытием для полиолефиновых сепараторов в литий-ионных батареях. Слой бёмита толщиной 1-4 микрона, нанесенный на стандартный полиэтиленовый сепаратор, повышает температуру начала термоусадки примерно со 130 °C до более чем 200 °C. Именно этот температурный запас отличает батарею, вступающую в тепловой разгон, от батареи, которая этого не делает. В этой статье рассматриваются спецификации D50, необходимые для различных областей применения батарей, и как струйное фрезерование В статье рассматривается, как достигается их получение без загрязнения, сравнивается этот метод с шаровым измельчением бёмита и как выглядят реальные результаты обработки.
Эффективность покрытия практически полностью зависит от размера частиц и чистоты порошка бёмита. Если показатель D50 слишком крупный, покрытие получается толстым, неравномерным и увеличивает внутреннее сопротивление. Если содержание магнитных посторонних примесей (Fe, Ni, Cr, образующихся в результате износа шлифовального оборудования) превышает допустимые значения, на поверхности сепаратора могут возникать микрокороткие замыкания. Правильное определение показателя D50 — и обеспечение его правильного определения без внесения металлических примесей — является решающим преимуществом принципа работы струйной мельницы по сравнению с шаровой мельницей.
Почему бёмит превосходит стандартный оксид алюминия в качестве разделительного покрытия
Как бёмит (AlO(OH)), так и стандартный оксид алюминия (Al2O3) — это керамика на основе алюминия, используемая в качестве покрытий для сепараторов. Эти различия имеют значение для производства и производительности.
| Свойство | Бёмит AlO(OH) | Стандартный оксид алюминия Al2O3 |
| твердость по шкале Мооса | 3-4 | 9 |
| Удельная плотность | ~3,0 г/см³ | ~3,9 г/см³ |
| Тепловое поведение | Эндотермическая дегидратация при температуре выше 300 градусов Цельсия — активное поглощение тепла. | Стабильный — эндотермическая реакция отсутствует. |
| Влияние на оборудование для нанесения покрытий | Более низкая твердость снижает износ роликов и ножей. | Высокая твердость приводит к значительному износу оборудования. |
| Достижимая толщина покрытия | Можно добиться равномерного покрытия толщиной 1-2 мкм. | Как правило, образуются более толстые и менее однородные покрытия. |
| Смачиваемость электролита | Хорошо — гидрофильная поверхность улучшает перенос ионов. | Адекватный |
Наиболее важным функциональным отличием является эндотермическое поведение бёмита при дегидратации. Когда клетка приближается к тепловому разгону, покрытие из бёмита поглощает тепло по мере разложения, обеспечивая тепловой буфер, который может означать разницу между восстановлением клетки и её дальнейшим распространением. Этот механизм отсутствует в стандартном оксиде алюминия — он остается стабильным, а не активно поглощает тепло.
Более низкая твердость (3-4 по шкале Мооса против 9) имеет значение для экономической эффективности производства. Линия нанесения покрытий, перешедшая с Al2O3 на бёмит, обычно демонстрирует заметно больший срок службы валков для нанесения покрытий, ножей для резки и дисперсионного оборудования, поскольку более мягкие частицы обладают меньшей абразивностью.
Технические характеристики D50 для бёмита в зависимости от области применения
Технические требования к размеру частиц бёмита не являются одинаковыми для всех областей применения батарей. Целевой показатель D50 зависит от требуемой толщины покрытия, типа подложки сепаратора и уровня производительности батареи.
| Приложение | Мишень D50 | Д97 Макс | Ключевой фактор эффективности |
| Высококачественное покрытие сепаратора для электромобилей | 200-300 нм | <1000 нм | Сверхтонкое плотное покрытие для максимальной плотности энергии; минимальное дополнительное внутреннее сопротивление. |
| Основной разделитель электромобилей и накопителей энергии | 0,5-1,6 мкм | <4 мкм | Баланс безопасности, однородности покрытия и стабильности производства. |
| Покрытие кромки электрода | 1,0-6,0 мкм | <15 мкм | Конструктивная защита и изоляция по краям электродов; менее строгие требования к распределению плотности мощности. |
| Исследования и разработки в области полутвердотельных/твердотельных устройств | 100-400 нм | <1000 нм | Очень мелкий размер частиц для экспериментальных покрытий высокой плотности; чистота имеет решающее значение. |
В отрасли наблюдается тенденция к использованию более тонких фракций бёмита с показателем D50. Субмикронный бёмит (D50 ниже 500 нм) позволяет получать более тонкие покрытия, которые добавляют меньше веса и сопротивления сепаратору, что повышает плотность энергии элемента на уровне всего аккумуляторного блока. Именно на этом уровне спецификаций способность струйного измельчения достигать субмикронного показателя D50 без загрязнения измельчающими материалами наиболее актуальна — шаровое измельчение становится все менее практичным при показателях D50 ниже 1 микрона для применения в батареях высокой чистоты.
Почему струйная фрезеровка — подходящая технология для обработки бёмита
Проблема загрязнения при шаровом измельчении
В соответствии со спецификацией Boehmite для аккумуляторных элементов, содержание магнитных примесей (MFM) — общее количество Fe, Ni, Cr и других ферромагнитных частиц — должно быть ниже строгих пределов: как правило, ниже 50 ppm для основных марок сепараторов и ниже 10 ppm для высокотехнологичных применений в электромобилях. Эти ограничения существуют потому, что магнитные частицы на поверхности сепаратора могут мигрировать под действием внутреннего электрического поля элемента и создавать микрокороткое замыкание.
В шаровой мельнице, перерабатывающей бёмит с использованием мелющих тел из оксида алюминия или диоксида циркония, загрязнение происходит двумя путями. Во-первых, прямой износ тел: частицы мелющих тел скалываются и разрушаются, внося фрагменты Al2O3 или ZrO2 в продукт. Во-вторых, износ футеровки: футеровка мельницы выделяет металл с измеримой скоростью даже при наличии керамической футеровки, поскольку смесь бёмита и мелющих тел является абразивной по отношению к любой поверхности при производственных объемах. Измеренное содержание металла в шаровой мельнице, производящей бёмит D50 с размером частиц 1-2 микрона, обычно составляет 30-150 ppm в зависимости от качества мелющих тел и интенсивности измельчения — на грани или выше требований к стандартным сепараторам и значительно выше требований к высококачественным сепараторам.
Как струйная фрезеровка устраняет этот путь
В струйной мельнице с псевдоожиженным слоем измельчение достигается исключительно за счет столкновений частиц. Струи сжатого газа ускоряют частицы бёмита, образуя сходящиеся потоки; частицы разрушаются при столкновении друг с другом на высокой скорости. Единственными твердыми поверхностями на пути контакта продукта являются стенки камеры и классификационное колесо, которые могут быть футерованы керамикой. Измельчающие элементы отсутствуют. Загрязнение металлами на этапе измельчения практически сводится к нулю.
В случае определения содержания магнитных посторонних примесей, струйное измельчение переносит задачу контроля качества с этапа измельчения на предшествующий синтез и последующую систему сбора — оба этапа более контролируемы. Высокоградиентный магнитный сепаратор (HGMS), расположенный после струйной мельницы, обеспечивает окончательный контроль качества, улавливая любые остаточные магнитные частицы со стадии синтеза, что позволяет получить конечный продукт с содержанием магнитных посторонних примесей, гарантированно ниже 5-10 ppm.
Субмикронный D50: где струйная фрезеровка однозначно выигрывает
При размерах частиц менее D50 (500 нм) шаровое измельчение бёмита становится нецелесообразным. Для эффективной обработки частиц такого размера необходимы мелющие элементы субмиллиметрового размера (обычно шарики 0,1-0,3 мм для наноизмельчения), которые склонны к разрушению и загрязнению со скоростью, превышающей требования к высококачественным аккумуляторным батареям. Для достижения размера частиц D50 (300 нм) требуется длительное время измельчения (8-16 часов), что также увеличивает риск загрязнения и стоимость обработки.
Струйная мельница с псевдоожиженным слоем позволяет получить бёмит с размером частиц D50 300-500 нм за один проход при давлении измельчения 6-8 бар, при этом время обработки измеряется минутами, а не часами. Скорость вращения классификационного колеса контролирует точку отсечки D50; уменьшение скорости классификатора приводит к получению более тонкого продукта. Именно это сочетание скорости, точности и отсутствия загрязнений делает струйное измельчение стандартной технологией для производства высококачественного бёмита.
| Фактор | Струйная мельница (с псевдоожиженным слоем) | Шаровая мельница (с керамическим наполнителем) |
| Достижимая дальность D50 | 100 нм – 45 мкм | 500 нм – 20 мкм (практически подходит для бёмита) |
| Возможность работы на длинах волн менее 500 нм | Да — это стандарт для реактивных мельниц. | Нецелесообразно в промышленных масштабах для производства аккумуляторных батарей. |
| Магнитное инородное вещество | Практически нулевой уровень износа на этапе шлифовки. | Типичное значение: 30-150 ppm; зависит от среды. |
| Время обработки (D50 300 нм) | 15-45 минут | 8-16 часов |
| кристаллическая вода Бёмита | Сохранен (отсутствует нагрев от трения среды). | Риск частичного обезвоживания при длительном мокром помоле. |
| вариант с азотной атмосферой | Стандартный вариант для струйной мельницы | Сложная и дорогостоящая шаровая мельница. |
| Стоимость энергии на тонну | Более высокий (сжатый газ) | Ниже при эквивалентном значении D50 > 2 мкм |
Полная линия по производству бёмита
Струйная мельница является ядром этапа переработки бёмита, но полная производственная линия для бёмита аккумуляторного качества включает в себя несколько подготовительных и заключительных этапов:
Последовательность установки оборудования на производственной линии по выпуску бёмита
• Синтез: Реакторные котлы — получение осадка AlO(OH) из алкоксида алюминия или солей алюминия в качестве прекурсоров.
• Разделение: Фильтр-пресс — удаляет большую часть реакционной жидкости из бёмитового осадка.
• Сушка: Распылительная сушилка или сушка в печи — снижает влажность до уровня ниже 0,51 TP3T для сухого струйного измельчения.
• Измельчение стержней: струйная мельница с псевдоожиженным слоем (ЭПИК Порошок) — достигает целевого значения D50 благодаря измельчению частиц друг о друга без загрязнений.
• Классификация: Воздушный классификатор — вторичный контроль D97 для самых тонких фракций (опционально для стандартных фракций, где достаточно струйного классификатора).
• Магнитная сепарация: Высокоградиентный магнитный сепаратор (ВГМС), 10 000–15 000 Гаусс — удаляет остаточные магнитные частицы, образовавшиеся в процессе синтеза.
Сбор: импульсный мешочный фильтр — сбор продукта и отвод чистого воздуха.
| Переработка порошка бёмита или оксида алюминия для применения в аккумуляторных батареях? Струйные мельницы с псевдоожиженным слоем от EPIC Powder Machinery сконфигурированы для измельчения бёмита, оксида алюминия и других керамических порошков для аккумуляторных батарей. Мы предлагаем бесплатные пробные измельчения — вы предоставляете исходный бёмит, а также спецификации D50 и магнитных примесей, и мы предоставляем полные данные по распределению частиц по размерам (PSD), результаты ICP-анализа на наличие железа и магнитных примесей, а также рекомендуемую конфигурацию процесса. Сообщите нам целевое значение D50 (в субмикронном или микронном диапазоне), годовой объем производства и необходимость использования азотной атмосферы. Закажите бесплатную пробную шлифовку: www.jet-mills.com/contact Ознакомьтесь с нашим ассортиментом материалов для аккумуляторных батарей, выпускаемых компанией Jet Mill: www.jet-mills.com |
Часто задаваемые вопросы
Почему для покрытия сепараторов литиевых батарей бёмит предпочтительнее стандартного оксида алюминия?
Эти два материала различаются по твердости, плотности и термическим свойствам — все это влияет на процесс нанесения покрытия и безопасность батареи. Бёмит (по шкале Мооса 3-4) значительно мягче стандартного оксида алюминия (по шкале Мооса 9), что означает, что он вызывает значительно меньший износ валиков для нанесения покрытия, ножей для резки и дисперсионного оборудования на линии производства сепараторов. Более низкая плотность бёмита (приблизительно 3,0 г/см³ против 3,9 г/см³ у оксида алюминия) означает более тонкий и легкий слой покрытия при эквивалентной защитной эффективности. Наиболее важное функциональное различие — термическое: бёмит подвергается эндотермической дегидратации при температуре выше 300 °C (AlO(OH) выделяет свою структурную воду в виде пара), которая активно поглощает тепло во время теплового разгона. Стандартный оксид алюминия термически стабилен и не обеспечивает этого активного механизма поглощения тепла. Для батарейных элементов, где управление тепловым режимом является первостепенной задачей безопасности, эндотермическое поведение бёмита обеспечивает существенный дополнительный запас прочности.
Какую степень дисперсности (D50) следует указать для бёмита при нанесении покрытия на сепараторы аккумуляторных батарей электромобилей?
Спецификация D50 зависит от типа ячейки и целевой толщины покрытия. Для основных применений в электромобилях и системах хранения энергии с использованием стандартных полиэтиленовых или полипропиленовых сепараторов стандартным коммерческим диапазоном является D50 0,5–1,6 микрон. При таком размере можно получить равномерный слой покрытия толщиной 2–4 микрона с помощью стандартных процессов щелевого или глубокого нанесения покрытия. Для ячеек с высокой плотностью энергии в премиальных электромобилях, где приоритетом является минимизация веса покрытия и внутреннего сопротивления, субмикронный бёмит с D50 200–400 нм позволяет получать более тонкие слои покрытия (1–2 микрона) с лучшей плотностью. Для покрытия краев электродов (другое применение по сравнению с покрытием поверхности сепаратора) типичным является D50 1–6 микрон с менее строгими требованиями к распределению частиц по размерам (PSD). Во всех случаях значение D97 и отсутствие крупного хвоста (частиц размером более 10–15 микрон) так же важны, как и D50 — частицы большого размера создают дефекты покрытия, которые снижают сопротивление сепаратора проколам.
Может ли шаровая мельница производить бёмит аккумуляторного качества, и когда следует задуматься о переходе на струйную мельницу?
Шаровая мельница может производить бёмит с показателем D50 в диапазоне 1-5 микрон при производительности, подходящей для мелкосерийного производства, но для применения в аккумуляторных батареях возникают два существенных ограничения. Во-первых, магнитные посторонние примеси: даже высококачественные керамические материалы вносят измеримое загрязнение из-за износа. Для нанесения покрытий на кромки электродов (содержание Fe ниже 200 ppm) это может быть приемлемо. Для нанесения покрытий на сепараторы (содержание Fe ниже 50 ppm) и для высокотехнологичных применений (содержание Fe ниже 10 ppm) загрязнение в шаровой мельнице постоянно превышает допустимые значения. Во-вторых, субмикронные возможности: при показателе D50 ниже 500 нм шаровое измельчение становится нецелесообразным для бёмита аккумуляторного качества — время обработки от 8 до 16 часов дает лишь пограничные значения D50 с высоким содержанием Zr из-за требуемых субмиллиметровых материалов. Поводом для перехода на струйную мельницу является ужесточение требований к показателю MFM ниже 50 ppm, необходимость показателя D50 ниже 1 микрона или ограничение производственной мощности за счет времени цикла обработки.
Эпический порошок
В Эпический порошок, Мы предлагаем широкий выбор моделей оборудования и разрабатываем индивидуальные решения, отвечающие вашим конкретным потребностям. Наша команда имеет более чем 20-летний опыт в обработке различных порошков. Компания Epic Powder специализируется на технологиях обработки мелкодисперсных порошков для горнодобывающей, химической, пищевой, фармацевтической и других отраслей промышленности.
Связаться с нами Получите бесплатную консультацию и индивидуальные решения уже сегодня!
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете свяжитесь с EPIC Представитель по работе с клиентами Powder Online Зельда для любых дальнейших запросов».
— Джейсон Ван, Инженер