I. Bối cảnh và ý nghĩa nghiên cứu
Pin lithium-ion được sử dụng rộng rãi trong pin năng lượng, hệ thống lưu trữ năng lượng và thiết bị điện tử tiêu dùng nhờ những ưu điểm về mật độ năng lượng cao, công suất lớn, tuổi thọ dài và thân thiện với môi trường. Trong số các vật liệu catốt, Lithium Sắt Phosphate (LiFePO₄ hay LFP) đã trở thành vật liệu catốt phổ biến nhờ độ an toàn cao, chi phí tương đối thấp và độ ổn định cấu trúc tốt. Tuy nhiên, hiệu suất xử lý của LFP ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng tấm điện cực và hiệu suất pin, trong đó quá trình nghiền là bước quan trọng trong việc kiểm soát kích thước và phân bố hạt vật liệu. Bài báo này nghiên cứu một cách hệ thống ảnh hưởng của tốc độ cấp liệu và áp suất nghiền đến phân bố kích thước hạt, đặc tính bùn, chất lượng tấm điện cực và hiệu suất điện hóa của vật liệu LFP, tạo cơ sở cho việc tối ưu hóa quy trình trong sản xuất công nghiệp.
II. Phương pháp thực nghiệm
Tiền chất LFP được điều chế bằng cách sử dụng sắt phosphat làm nguồn sắt thông qua phương pháp khử cacbon nhiệt. Vật liệu ban đầu, được ký hiệu là LFP-0, thu được sau khi sấy phun và thiêu kết ở nhiệt độ cao. Loại QLM-2 nhà máy phản lực đã được sử dụng để xử lý LFP-0 ở các tốc độ nạp liệu khác nhau (0,50 kg/giờ, 0,75 kg/giờ, 1,00 kg/giờ, 1,25 kg/giờ) và áp suất nghiền (15 m³/giờ, 18 m³/giờ, 21 m³/giờ, 24 m³/giờ), tạo ra nhiều nhóm mẫu. Các tính chất vật lý của vật liệu được xác định bằng máy phân tích kích thước hạt, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và máy đo điện trở suất bột. Sau đó, các mẫu được chế tạo thành tấm điện cực và cell túi 6 Ah để kiểm tra một cách hệ thống độ mịn, độ nhớt, mật độ nén của tấm điện cực, dung tích và trở kháng của cell.
III. Phân tích vật liệu ban đầu trước khi nghiền
Vật liệu LFP-0 chưa nghiền bao gồm các hạt hình cầu với phân bố kích thước hạt tập trung: D₅₀ là 16,3 μm và Dmax vượt quá 30 μm. Độ mịn bùn tương ứng đạt 37–39
μm, vượt quá tiêu chuẩn cho phép của dây chuyền sản xuất (≤35μm). Mật độ nén của tấm điện cực chỉ đạt 2,17 g/cm³, thấp hơn yêu cầu của pin lưu trữ năng lượng (≥2,40 g/cm³). Mặc dù dung lượng riêng phóng điện 0,1C đạt 160,8 mAh/g, nhưng hiệu suất xử lý kém cho thấy sự cần thiết của quy trình nghiền.
IV. Tác động của tốc độ nạp liệu đến hiệu suất LFP
Giữ áp suất nghiền không đổi ở mức 21 m³/h, ảnh hưởng của các tốc độ nạp liệu khác nhau đã được nghiên cứu:
1. Kích thước và hình thái hạt: Tốc độ nạp liệu thấp hơn dẫn đến hiệu quả nghiền tốt hơn. Các hạt LFP-I50 (0,50 kg/giờ) đồng đều với Dmax < 10 μm; LFP-I75 (0,75 kg/giờ) cho thấy sự kết tụ nhẹ với Dmax < 20 μm; trong khi LFP-I100 và LFP-I125, do tốc độ nạp liệu quá cao, có các hạt chưa được phá vỡ đủ với Dmax gần 50 μm, tương tự như vật liệu ban đầu.
2. Hiệu suất của bùn và tấm điện cực: Khi tốc độ nạp liệu tăng, độ mịn của bùn tăng đáng kể (từ 21 μm lên 42 μm), hàm lượng chất rắn tăng nhẹ và độ nhớt thay đổi ít. Mật độ nén của tấm điện cực giảm từ 2,46 g/cm³ xuống 2,40 g/cm³. Ở tốc độ nạp liệu cao (ví dụ: 1,25 kg/giờ), các cục vón cục, bọt khí và đốm xuất hiện trên tấm điện cực, ảnh hưởng đến độ đồng đều về hình thức.
3. Hiệu suất điện hóa: Dung lượng riêng 0,1C của tất cả các mẫu đều vượt quá 158 mAh/g, với một số khác biệt nhỏ. Tuy nhiên, trở kháng điện hóa (Rct) tăng theo tốc độ nạp cao hơn, cho thấy tốc độ nạp quá cao sẽ làm hỏng lớp phủ carbon, làm tăng điện trở giao diện.
V. Tác động của áp suất nghiền đến hiệu suất LFP
Ở tốc độ nạp liệu không đổi là 0,75 kg/h, ảnh hưởng của các áp suất nghiền khác nhau đã được nghiên cứu:
1. Kích thước hạt và hình thái: Ở áp suất 15 m³/h, độ vỡ hạt không đủ, với Dmax > 10 μm; khi áp suất tăng lên 21 m³/h trở lên, Dmax giảm xuống dưới 20 μm; phần lớn các hạt LFP-V24 (24 m³/h) có kích thước nhỏ hơn 2 μm, với phân bố kích thước tập trung.
2. Hiệu suất xử lý: Ở áp suất thấp (15 m³/h), độ mịn của bùn đạt 42 μm và các phần lồi ra của hạt xuất hiện rõ trên các tấm điện cực; khi áp suất tăng lên 21 m³/h, độ mịn giảm xuống 33 μm và hình thức của tấm điện cực được cải thiện; ở 24 m³/h, các tấm trở nên mịn và không có khuyết tật, với mật độ nén tăng lên 2,46 g/cm³.
3. Hành vi điện hóa: Tất cả các mẫu đều đạt dung lượng trên 159 mAh/g. Tuy nhiên, việc tăng áp suất nghiền làm trầm trọng thêm tình trạng hư hỏng lớp carbon, dẫn đến tăng điện trở suất bột và Rct của pin.
VI. Tối ưu hóa toàn diện và kết luận
Bằng cách cân bằng giữa kiểm soát kích thước hạt, hiệu suất xử lý và hiệu suất điện hóa, các thông số quy trình tối ưu đã được xác định như sau: tốc độ nạp liệu 0,75 kg/giờ, áp suất nghiền 21 m³/giờ. Trong các điều kiện sau:
Dmax được kiểm soát trong vòng 20 μm
Độ mịn của bùn là ≤35 μm
Mật độ nén của tấm điện cực là ≥2,44 g/cm³
Dung lượng xả riêng 0,1C là ≥159 mAh/g
Đồng thời tránh các khuyết tật bề ngoài của tấm điện cực và trở kháng quá cao.
VII. Gợi ý ứng dụng thực tế
Các nhà sản xuất LFP cần điều chỉnh quy trình nghiền một cách linh hoạt dựa trên phân bố kích thước hạt, hình thái SEM và phổ trở kháng pin. Điều này tránh làm hỏng lớp phủ carbon do nghiền quá mức hoặc ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý do nghiền không đủ. Các thông số thiết bị nên được lựa chọn hợp lý để cải thiện hiệu quả sản xuất đồng thời đảm bảo khả năng gia công sản phẩm và hiệu suất điện hóa.
VIII. Giá trị nghiên cứu
Nghiên cứu này không chỉ cung cấp các khung thông số cụ thể và khả thi cho quá trình nghiền phản lực vật liệu LFP mà còn đào sâu hiểu biết về mối quan hệ giữa phân bố kích thước hạt và hiệu suất pin tổng thể. Nghiên cứu này có tầm quan trọng định hướng đáng kể cho việc thúc đẩy ứng dụng pin LFP trong công nghiệp.
Bột sử thi
Các Bột sử thi Máy nghiền Jet Mill nổi bật là lựa chọn lý tưởng cho quy trình xử lý bột có nhu cầu cao. Máy mang lại hiệu suất nghiền vượt trội và khả năng kiểm soát kích thước hạt chính xác. Chúng tôi cam kết tạo ra giá trị gia tăng cho khách hàng thông qua công nghệ tiên tiến và dịch vụ hỗ trợ sau bán hàng toàn diện, giúp doanh nghiệp của bạn phát triển vượt bậc.
Hãy chọn Epic Powder vì chất lượng và độ tin cậy, và chúng ta hãy cùng nhau xây dựng một tương lai mới! Liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay để có giải pháp tùy chỉnh và trải nghiệm công nghệ xử lý bột hàng đầu trong ngành!