Mis on süsinikkate?

Põhiidee on otsene -, kui asetate akumaterjalidele õhukese süsinikukihi, et muuta need juhtivamaks. Ilma süsinikkatteta LFP juhtivus on umbes 10^-9 S/cm, mis on põhimõtteliselt isolaator. Lisage 2-3 massiprotsenti süsinikkatet ja saate 10^-3 S/cm, millest piisab toimiva aku valmistamiseks.

Kasutame oma rajatises nii CVD-süsteeme kui ka märgkeemilisi katmisliine. CVD annab parema ühtluse, kuid maksab rohkem. Märgkate sobib enamiku rakenduste jaoks hästi ja varustus on lihtsam.

Tutvuge meie CVD-katte võimalustega, et saada täpsemat{0}}valikut.

Miks katta materjale süsinikuga?

Enamik fosfaat{0}}põhiseid katoode vajab seda. Elektrooniline juhtivus on ilma katteta kohutav. Raudfosfaat, mangaanfosfaat - sama lugu. Isegi mõned oksiidkatoodid saavad katmisest kasu, kui surute kõrge C{5}}määra.

Kate toimib ka kaitsekihina katoodi ja elektrolüüdi vahel. See on olulisem kõrgendatud temperatuuridel, kus kõrvalreaktsioonid kiirenevad. Oleme näinud, et tsükli eluiga paraneb 40–50% ainuüksi katmisest, eriti kui rakud töötavad üle 45 kraadi.

Ränianoodid on hoopis teine ​​loom. Mahu suurenemine jalgrattasõidu ajal (300–400%) lõhustab enamiku kattekihte. Vajate paindlikke süsinikstruktuure või kate ebaõnnestub mõne tsükli järel. Töötasime selle probleemi kallal kolm aastat, enne kui saime koostise, mis pidas tegelikult vastu ka viimased 200 tsüklit.

CVD katmisprotsess

Meie CVD seadistus kasutab atsetüleeni või metaani 650-750 kraadi juures. Voolukiirused sõltuvad partii suurusest – tavaliselt 50–200 sccm 100 kg partii kohta. Gaas laguneb osakeste pinnal ja moodustab süsinikukihi.

Paksuse reguleerimine toimub aja ja temperatuuri järgi{0}} minutit 700 kraadi juures annab olenevalt substraadist ligikaudu 5–8 nm. Kui vajate paksemat katet, kasutage seda kauem, kuid jälgige pooride blokeerimist, eriti suure pindalaga materjalide puhul.

CVD süsiniku grafiidisisaldus on suurem kui märgkeemiliste meetodite puhul, mis tähendab paremat juhtivust. Atsetüleen annab rohkem grafiitilist süsinikku kui metaan, kuid selle ohutu käsitsemine on ka kallim ja omamoodi valus.

Meie CVD-sarja partii suurus on vahemikus 10 kg kuni 200 kg. Võimalikud on suuremad partiid, kuid probleemiks muutub temperatuuri ühtlus. Oleme selle selgeks õppinud - korra 500 kg kaaluva partii ja materjali katmine keskelt ja servadest oli märgatavalt erinev.

Märg keemiline lähenemine

Segage pulber glükoosilahusega, kuivatage ja seejärel pürolüüsige lämmastiku atmosfääris. Suhkur karboniseerib ja katab osakesed. Lihtne kontseptsioon, kuid selle ühtseks saamine nõuab katse-eksituse meetodit.

Glükoosilahuse pH on oluline. Põhimaterjalide (nt LFP) puhul hoiame pH ligikaudu 4-5 juures, nii et glükoos kinnitub paremini. Kuivatamisetapp on kriitiline – kui kuivatate liiga kiiresti, tekib tükke. Kasutame nüüd pihustuskuivatust, mis töötab palju paremini kui meie vana pöördkuivati ​​seadistus.

Glükoosi pürolüüsi temperatuur on tavaliselt 500–650 kraadi. Kõrgemad temperatuurid annavad rohkem grafiitilist süsinikku, kuid hakkate süsiniku saagist ära põletama. Teine võimalus on sidrunhape, mis annab glükoosiga sarnaseid tulemusi. Mõned kliendid eelistavad sahharoosi, kuid ausalt öeldes pole me jõudluses palju erinevusi näinud.

Märgkatte süsinik on enamasti amorfne ja mõne lühikese{0}}vahemikuga grafiitdomeeniga. Juhtivus on korralik, mitte nii hea kui CVD, kuid enamiku akude jaoks piisavalt hea. Kulud on ligikaudu 40% madalamad kui CVD ühe kg kaetud materjali kohta.

Rakendused, mille kallal oleme töötanud

LFP katoodid moodustavad tõenäoliselt 70% meie katte mahust. Standardne spetsifikatsioon on 2,5 massiprotsenti süsinikku, paksusega 8–10 nm. Mõned kliendid soovivad kõrgemate taotluste eest 3%.

Samuti katame LTO anoodid, kuigi harvemini. Tavaliselt piisab 1–1,5 massiprotsendist süsinikust, kuna LTO juhtivus pole nii halb kui LFP. Kate aitab kaasa kiirele laadimisvõimele, mis on kiire laadimise rakenduste jaoks oluline.

NCM811 ja teised nikli{1}rikkad katoodid kaetakse mõnikord pinna stabiilsuse, mitte juhtivuse tagamiseks. Katte paksus on õhem, võib-olla 3-5 nm, just piisavalt, et vähendada otsest kontakti katoodi ja elektrolüüdi vahel. See vähendab siirdemetallide lahustumist, mis on kõrgepinge niklirikaste materjalide rikkerežiim.

Räni komposiitanoodid on keerulised. Tavaline kate ei tööta mahu suurenemise probleemi tõttu. Töötasime välja teatud elastsusega süsinikkatte koostise, kasutades polümeerist -tuletatud süsinikku. See maksab rohkem, kuid see on ainus viis, kuidas oleme leidnud korraliku tsükli eluea saavutamiseks. Isegi siis vaatate võib-olla 500–800 tsüklit, enne kui võimsus väheneb.

Üks autotööstuse ettevõte soovis, et me kataksime nende eksperimentaalset mangaani{0}}rikka katoodmaterjali. See projekt ei õnnestunud - materjal oli katmisprotsessi ajal keemiliselt ebastabiilne ja me nägime pidevalt faasimuutusi. Mõnikord pole katmine lahendus.

Tootmispartiide tegelikud numbrid

Eelmisel kuul katsime ühe Lõuna-Korea kliendi jaoks 3 tonni LFP-d. Sihtmärgiks oli 2,8 massiprotsenti süsinikku. Partii tulemused jäid vahemikku 2,65% kuni 2,95%, mis on meie ±0,3% tolerantsi piires. Juhtivus pressitud graanulitel oli keskmiselt 8,2 x 10^-3 S/cm.

Võrdluseks, sama materjali katmata mõõtmed olid 2,1 x 10^-9 S/cm. See on umbes 4 miljonit korda parem juhtivus, kuigi pressitud pelleti juhtivuse võrdlemine osakeste juhtivusega ei ole täiuslik metoodika.

Tsükli kasutusiga testimine mündielementidega (C/3 laadimine, C/3 tühjenemine, vahemik 2,5–3,8 V) näitas võimsuse säilimist 91% pärast 1000 tsüklit 25 kraadi juures. Kliendi eesmärk oli 90%, nii et see möödus.

Näidatud vahemikud on see, mida me tegelikult tootmises saavutame, mitte teoreetilised eesmärgid.

Kattekvaliteedi probleemid, mida oleme näinud

Mittetäielik katvus on kõige levinum probleem, eriti märgkatte korral. Lõppkokkuvõttes jäävad osakeste pinnale paljad laigud, mis loovad jalgrattasõidu ajal lokaalse voolu kontsentratsiooni. See kuvatakse võimsuse vähenemisena pärast 200–300 tsüklit.

Liiga paks kate blokeerib liitiumi difusiooni. Meil oli üks partii, kus temperatuuri reguleerimise probleemi tõttu oli katmine 25 nm sihtmärgi 10 nm asemel. Kiirusvõime oli märgatavalt halvem - rakud ei saanud hakkama 1C tühjenemisega ilma olulise pingelangeta.

Teine probleem on süsiniku oksüdatsioon ladustamise ajal. Kaetud pulbrit tuleb hoida kuivas kohas. Meil oli klient, kes hoidis materjali kuus kuud niiskes laos ja süsinikusisaldus langes 2,5%-lt 1,9%-le. Süsinik oksüdeerub niiskes õhus aeglaselt.

Varustus ja võimsus

Meie peamine CVD-ahi suudab töödelda 200 kg partiid. Meil on ka väiksem uurimis- ja arendusahi 5-10 kg partiide jaoks, kui kliendid soovivad katsetada uute materjalide katmist. Teadus- ja arendustegevuse partiide läbiviimine on tavaliselt 1–2 nädalat. Tootmispartiide valmistamisel kulub materjali kättesaamisest saatmiseni 3-4 nädalat.

Märgkatmisliinil on suurem läbilaskevõime, kuni 500 kg partii kohta. Piiravaks teguriks on tavaliselt pigem pihustuskuivati ​​kui pürolüüsiahju võimsus.

Järgmisel aastal suurendame tootmisvõimsust uue CVD-süsteemiga, mis peaks olema võrgus Q2 2026.. Sihtvõimsus on 300 kg partiid, mis on abiks mõnele meie suuremale kliendile.

Arendustöö

Kui teil on materjal, mille katmisest võiks kasu olla, kuid te pole kindel, saame läbi viia arendusteste. Minimaalne kogus on tavaliselt 200 grammi. Testime 2–3 erinevat katmistingimust ja esitame kaetud proovid ning mündielementide elektrokeemilised andmed.

Arenduskulu sõltub testimise ulatusest. Katte põhihindamine koos mündielementide testimisega maksab umbes 3500 dollarit. Kui vajate põhjalikumat testimist, nagu näiteks täisraku ehitamine või pikaajaline -jalgrattasõit, võime seda eraldi tsiteerida.

Üks probleem, millega arendustööga kokku puutume, on see, et laboritulemused ei tähenda alati tootmismahtu. Katsime materjali 50-grammise skaalaga, mis nägi suurepärane välja, kuid 50 kg kaalumisel oli katte ühtlus kohutav. Nii osakeste suuruse jaotus kui ka pindala mõjutavad katte käitumist ja mõnikord see, mis töötab väikesena, ei tööta suurelt.

Kulutegurid

CVD-kate lisab materjali maksumusele ligikaudu 2–4 dollarit kg kohta sõltuvalt partii suurusest ja katte spetsifikatsioonist. Märgkeemiline kate on 1,50–2,50 dollarit kg kohta.

Tootmiskatte minimaalne tellimus on tavaliselt 50 kg. Sellest madalamal muudab seadistuskulud selle ebaefektiivseks. Arenduskoguste puhul alla 50 kg võtame seadistustasu.

Kui ostate meilt lähtematerjali (katmata pulbrit) ja lasete meil selle katta, saame tavaliselt parema hinna, kui saadate meile oma materjali. Logistika on lihtsam ja materjalitarnijatega oleme juba valmis.

Kaetud materjali kohaletoimetamine nõuab teatud ettevaatust, kuna pulber on pürofoorsem kui katmata materjal. Kasutame ÜRO -tunnustatud pakendeid ja saadame ainult maismaatranspordiga. Lennutransport ei ole tuleohu tõttu lubatud enamiku süsinik{3}}kattega materjalide puhul.

Testimine ja spetsifikatsioonid

Standardtestid, mida pakume iga partiiga:

Süsinikusisaldus põlemisanalüüsi järgi (±0,1 massiprotsenti)

Puudutuste tihedus

Osakeste suuruse jaotus (D10, D50, D90)

Niiskuse sisaldus

SEM-pildid (soovi korral)

Saadaval on täiendav testimine:

Juhtivuse mõõtmine pressitud graanulitel

BET pindala

XRD kristallstruktuuri jaoks

TEM-i ristlõiked{0}}katte paksuse kontrollimiseks

ICP{0}}MS lisandite analüüsi jaoks

Mündielementide testimine (jalgrattasõidu jõudlus, kiiruse võime, impedants)

Enamik kliente soovib lihtsalt põhitestimist ja juhtivuse mõõtmist. Täielik iseloomustus lisab umbes nädal aega ja maksab lisakulusid.

Mida me ei tee

Me ei kata elektroodide lehti. Meie seadmed on mõeldud pulbervärvimiseks. Kui vajate juba-valmistatud elektroodide katmist, on see täiesti erinev protsess.

Samuti ei käitle me materjale, millel on tõsine ohutusprobleem. Ei sisalda liitiummetalli pulbreid ega väga õhu{1}}tundlikke materjale. Tavalised akumaterjalid on head, kuid kui teie materjal süttib õhu käes iseeneslikult, ei saa me sellega töötada.

Üli-kõrge puhtusastmega kate (pooljuhtkate) ei ole meie tähelepanu keskmes. Oleme loodud akumaterjalide jaoks, mis tähendab head puhtust, kuid mitte puhta ruumi taset. Kui vajate sub-ppm saastetõrjet, vajate teist tüüpi seadet.

Näited klientidest

Michiganis asuv akufirma saatis meile oma räni{0}}grafiidist komposiitanoodi materjali. Nad nägid, et võimsus vähenes pärast 150 tsüklit. Katsime selle oma paindliku süsiniku koostisega ja nende tsükli kestus oli kuni 600 tsüklit. Materjali maksumus kasvas 3,50 $/kg, kuid jõudluse paranemine õigustas seda nende rakendamiseks.

Teine projekt hõlmas Euroopa autokliendile NCM811 katmist. Nad olid mures võimsuse vähenemise pärast kõrgepinge korral (4,3 V katkestus). Standardne NCM811 näitas pärast 500 tsüklit 15% võimsuse kadu. 1 massiprotsendilise süsinikkatte ja pinnatöötlusega saavutasime selle 8% mahukadu. Kattekiht ei olnud ainus tegur, - nad optimeerisid ka oma elektrolüüti -, kuid see aitas.

Töötasime koos uurimisrühmaga, kes töötas välja uut katoodkompositsiooni (liitiumi{0}}rikas NCM-i variant). Materjalil oli hea mahutavus, kuid kohutav kiirusvõime. Pärast 2% süsinikuga katmist paranes tühjendusvõimsus 1C juures 140 mAh/g-lt 168 mAh/g-ni. Juhtivus oli selle materjali piirav tegur.

Mõnikord ei lahenda katmine probleemi. Meil oli klient, kelle lahtrites oli kiire võimsus tuhmunud ja nad arvasid, et katmine parandab selle. Pärast uurimist leidsime, et nende tuhmumine oli tingitud anoodi liitiumkattest kiirlaadimise ajal. Katoodi katmine ei aidanud seda. Soovitasime neil selle asemel vaadata oma laadimisprotokolli.

Tehnilised ressursid

Kui soovite teaduse kohta lisateavet, oleme avaldanud mõned dokumendid süsiniku katmise kohta. Enamik neist on tasulise seina taga, kuid kui võtate meiega ühendust, saame saata PDF-e.

Kui töötate liitiumraudfosfaatmaterjalidega ja soovite mõista asjade akukeemilist külge, lugege seda artiklit [liitiumioonfosfaat aku] hõlmab põhitõdesid päris hästi. Aku keemia mõistmine aitab selgitada, miks katmine LFP jaoks nii palju muudab.