Les matériaux utilisés pour les batteries ne se limitent plus au phosphate de fer lithié classique ni aux systèmes ternaires standard. Les cathodes au manganèse riches en lithium (LMFP), les anodes en silicium-carbone, le nano-silicium, les électrolytes solides, les additifs conducteurs et les liants spécialisés imposent tous des exigences plus strictes en matière de taille des particules, de contrôle de la contamination, de gestion de la température et de production en continu.

Pour les fabricants de matériaux, le défi ne consiste pas simplement à réduire la taille des particules. L'ensemble du processus doit permettre de maintenir la stabilité de la dispersion de la suspension, de limiter la contamination par des métaux, de protéger les matériaux sensibles à la chaleur ou à l'oxygène, de former des particules secondaires homogènes et de garantir la répétabilité à mesure que la production s'intensifie. Longxin développe des systèmes intégrés de broyage et de séchage répondant à ces exigences.

Pourquoi les matériaux pour batteries de nouvelle génération nécessitent-ils des équipements de traitement différents ?

Matériaux cathodiques à base de manganèse riche en lithium et de LMFP

Ces systèmes cathodiques nécessitent une dispersion homogène de plusieurs éléments ainsi qu’une morphologie contrôlée des précurseurs. Une distribution granulométrique trop large ou une dispersion inégale de la suspension peut entraîner des irrégularités en aval lors du séchage par atomisation, de la calcination et du revêtement. Une étape de broyage humide stable, suivie d’une granulation par atomisation contrôlée, permet d’obtenir une poudre de précurseur plus homogène pour les traitements thermiques ultérieurs.

Anodes à base de silicium et de silicium-carbone

Les anodes à base de silicium offrent une capacité théorique élevée, mais leur mise en œuvre est complexe car le nanosilicium a tendance à s'agglomérer et ce matériau peut être sensible à l'oxydation et à la température. Le procédé nécessite donc une dispersion nanométrique efficace, un refroidissement précis et, dans de nombreux cas, un séchage en boucle fermée sous atmosphère contrôlée.

Électrolytes solides

Les électrolytes solides à base de sulfure, d’oxyde et de polymère présentent des plages de fonctionnement très différentes. Les sulfures sont très sensibles à l’humidité, les systèmes à base d’oxyde peuvent être fortement abrasifs et les systèmes polymères peuvent être sensibles à la chaleur. Le choix des équipements doit donc prendre en compte à la fois l’étanchéité, les matériaux de contact, le contrôle de l’atmosphère, la résistance à l’usure et la température de séchage, plutôt que de traiter ces aspects séparément.

Broyage nano pour les suspensions de batterie à forte teneur en solides et à haute valeur ajoutée

Les nano-broyeurs à broches et à broches en turbine Longxin sont conçus pour les boues à haute viscosité, à forte teneur en solides et abrasives. En fonction du matériau, les composants en contact avec le produit peuvent être en céramique, en zircone ou en carbure de silicium afin de réduire le risque de contamination métallique.

• Un système de refroidissement hautement efficace permet de maintenir le processus de broyage à une température contrôlée ; les spécifications du processus visent des températures de matière inférieures à 45 °C pour les systèmes sensibles.

• Des corps de broyage fins en zircone, d'une taille comprise entre 0,3 et 0,5 mm, peuvent être utilisés pour obtenir une dispersion à l'échelle nanométrique lorsque la formulation le permet.

• Les chambres de broyage optimisées et la séparation centrifuge contribuent à réduire le colmatage des tamis et favorisent une circulation continue.

• Pour les formulations adaptées, le procédé permet d'obtenir des valeurs D50 des particules primaires comprises entre environ 100 et 500 nm, tout en conservant une distribution étroite.

• Le parc d'équipements s'étend des unités d'essai à l'échelle du laboratoire aux machines de production à haut débit, ce qui permet de transposer les paramètres de procédé lors de la mise à l'échelle.

Solutions de séchage par atomisation adaptées à différents systèmes de matériaux pour batteries

Le stade de séchage doit être choisi en fonction de la rhéologie de la suspension, du système de solvants, de la sensibilité à l'oxydation et de la morphologie souhaitée des granulés. Longxin met en place différents procédés d'atomisation et de traitement de l'air, plutôt que d'appliquer un modèle unique de sécheur-atomiseur à tous les matériaux.

• Séchage par atomisation centrifuge de précurseurs de cathode tels que le manganèse riche en lithium et le LMFP, avec formation contrôlée de particules secondaires en vue d'une calcination en aval.

• Séchage par atomisation en circuit fermé pour les systèmes à base de silicium-carbone, de nanosilicium et de précurseurs de carbone nécessitant une isolation de l'oxygène ou une récupération du solvant.

• Séchage sous gaz inerte pour les matériaux d'électrolyte solide sensibles à l'humidité, en particulier les systèmes à base de sulfure.

• Séchage flash pour certains additifs conducteurs, tels que les nanotubes de carbone, pour lesquels la rapidité du séchage et la récupération de la poudre constituent des enjeux majeurs.

• Séchage par atomisation à basse température pour les liants thermosensibles, tels que les systèmes à base de PAA.

Des machines individuelles à une ligne de production intelligente et intégrée

Une ligne de production de matériaux pour batteries industrielles fonctionne de manière optimale lorsque l'alimentation, le dosage, le broyage, le contrôle de la granulométrie, le séchage, la récupération de poudre et les données de processus sont coordonnés au sein d'un même système. Longxin est en mesure d'intégrer l'alimentation sous vide, le dosage gravimétrique, le nano-broyage, la surveillance en ligne, le séchage par atomisation en circuit fermé, le tamisage, la dépoussiérage et la récupération de chaleur sous un système de contrôle basé sur un automate programmable (PLC).

• Le transfert en circuit fermé entre les différentes étapes du processus réduit les manipulations manuelles et le risque de contamination par des particules étrangères.

• Les paramètres clés, tels que la température de broyage, la viscosité de la suspension, la vitesse de l'atomiseur et la température de l'air d'admission, peuvent être reliés via le système de commande.

• Le contrôle basé sur des recettes permet de passer plus rapidement d'une formulation de matériaux de batterie à une autre.

• Des modules de récupération de chaleur et de contrôle des poussières peuvent être intégrés à la ligne afin d'optimiser l'utilisation de l'énergie et d'améliorer la propreté de l'usine.

Domaines d'application typiques

• Broyage et séchage par atomisation de précurseurs de cathodes à base de manganèse riche en lithium et de LMFP.

• Anode en silicium-carbone, traitement des précurseurs de nano-silicium et de carbone poreux.

• Broyage d'électrolytes solides à base de sulfure et d'oxyde et séchage sous atmosphère contrôlée.

• Séchage à l'aide de nanotubes de carbone et d'autres additifs conducteurs.

• Séchage des liants pour batteries et préparation des poudres.

• De l'alumine de haute pureté et d'autres poudres fonctionnelles utilisées dans les séparateurs de batteries et les composants associés.

Validation du procédé avant la mise à l'échelle

En ce qui concerne les nouveaux matériaux destinés aux batteries, le choix des équipements doit s'appuyer sur des essais de ces matériaux plutôt que sur les seules spécifications figurant dans les catalogues. Longxin accompagne les essais, depuis les petites unités de laboratoire jusqu'aux systèmes de broyage et de séchage à l'échelle pilote. Ces essais permettent d'évaluer la distribution granulométrique, la viscosité de la suspension, le comportement thermique, le risque de contamination, la morphologie de la poudre et la réponse au séchage avant la mise au point définitive de la ligne de production.

Cette approche aide les fabricants de matériaux à comparer les différentes voies de fabrication, à déterminer les matériaux de contact et les corps de broyage adaptés, et à définir une plage de fonctionnement avant de s'engager dans la mise en place d'un système de production à grande échelle.

Mettre en place une voie plus stable vers la production à grande échelle de matériaux pour batteries

À mesure que la chimie des batteries se diversifie, la plateforme d’équipement doit gagner en flexibilité. L’intérêt d’une ligne intégrée de nano-broyage et de séchage par atomisation ne réside pas seulement dans un débit plus élevé ; il réside également dans la capacité à contrôler de manière constante la taille des particules, la température, la pureté, la morphologie des granulés et les données de production, d’un lot à l’autre. Pour les projets portant sur les matériaux de batteries de nouvelle génération, cette stabilité des procédés est un élément essentiel pour passer du développement de la formulation à une production industrielle reproductible.