Os materiais para baterias estão a ir além do fosfato de ferro e lítio convencional e dos sistemas ternários padrão. Os cátodos de manganês ricos em lítio (LMFP), os ânodos de silício-carbono, o nano-silício, os eletrólitos sólidos, os aditivos condutores e os aglutinantes especiais impõem requisitos mais rigorosos em termos de dimensão das partículas, controlo da contaminação, gestão da temperatura e produção contínua.

Para os produtores de materiais, o desafio não consiste simplesmente em reduzir o tamanho das partículas. Todo o processo deve manter a dispersão da pasta estável, limitar a contaminação por metais, proteger os materiais sensíveis ao calor ou ao oxigénio, formar partículas secundárias consistentes e garantir a repetibilidade à medida que a produção aumenta. A Longxin desenvolve sistemas integrados de moagem e secagem em função destes requisitos.

Por que razão os materiais para baterias de próxima geração necessitam de equipamento de processamento diferente

Materiais catódicos de manganês ricos em lítio e LMFP

Estes sistemas catódicos exigem uma dispersão uniforme de vários elementos e uma morfologia controlada do precursor. Uma ampla distribuição granulométrica ou uma dispersão irregular da pasta podem causar inconsistências nas etapas subsequentes, durante a secagem por pulverização, a calcinação e o revestimento. Uma fase estável de moagem a húmido, seguida de uma granulação por pulverização controlada, contribui para a obtenção de um pó precursor mais uniforme para o processamento térmico subsequente.

Ânodos à base de silício e de silício-carbono

Os ânodos à base de silício oferecem uma elevada capacidade teórica, mas são difíceis de processar, uma vez que o nano-silício tende a aglomerar-se e o material pode ser sensível à oxidação e à temperatura. Por conseguinte, o processo requer uma dispersão eficiente das nanopartículas, um arrefecimento preciso e, em muitos casos, uma secagem em circuito fechado sob atmosfera controlada.

Eletrólitos sólidos

Os eletrólitos sólidos de sulfureto, óxido e polímero apresentam janelas de processo muito diferentes. Os sulfuretos são altamente sensíveis à humidade, os sistemas de óxido podem ser fortemente abrasivos e os sistemas de polímero podem ser sensíveis ao calor. A seleção do equipamento deve, por isso, ter em conta a vedação, os materiais de contacto, o controlo da atmosfera, a resistência ao desgaste e a temperatura de secagem de forma conjunta, em vez de as considerar como decisões separadas.

Moagem nano para pastas de baterias com elevado teor de sólidos e de elevado valor

Os nanomoinhos Longxin do tipo pino e com pino de turbina foram concebidos para pastas de elevada viscosidade, com elevado teor de sólidos e abrasivas. Dependendo do material, os componentes em contacto com o produto podem ser fabricados em cerâmica, zircónia ou carboneto de silício, de modo a reduzir o risco de contaminação por metais.

• O arrefecimento de alta eficiência mantém o processo de moagem a uma temperatura controlada; as especificações do processo de origem prevêem temperaturas do material inferiores a 45 °C para sistemas sensíveis.

• Os meios de moagem de zircónia fina, na gama de 0,3-0,5 mm, podem ser utilizados para a dispersão à escala nanométrica, desde que a formulação o permita.

• As câmaras de trituração otimizadas e a separação centrífuga ajudam a reduzir o entupimento das peneiras e favorecem a circulação contínua.

• No caso de formulações adequadas, o processo pode visar valores de D50 das partículas primárias na faixa de aproximadamente 100 a 500 nm, mantendo simultaneamente uma distribuição estreita.

• O equipamento disponível vai desde unidades de ensaio à escala laboratorial até máquinas de produção de grande capacidade, permitindo a transferência dos parâmetros do processo ao longo do processo de aumento de escala.

Soluções de secagem por pulverização adaptadas a diferentes sistemas de materiais para baterias

A fase de secagem deve ser selecionada de acordo com a reologia da pasta, o sistema de solventes, a sensibilidade à oxidação e a morfologia desejada dos grânulos. A Longxin configura diferentes percursos de atomização e tratamento de ar, em vez de aplicar um único modelo de secador por pulverização a todos os materiais.

• Secagem por pulverização centrífuga para precursores de cátodos, tais como manganês rico em lítio e LMFP, com formação controlada de partículas secundárias para a calcinação posterior.

• Secagem por pulverização em ciclo fechado para sistemas de precursores de silício-carbono, nano-silício e carbono, nos quais é necessário o isolamento do oxigénio ou a recuperação do solvente.

• Secagem em gás inerte para materiais de eletrólitos sólidos sensíveis à humidade, especialmente sistemas à base de sulfuretos.

• Secagem por jato de ar para determinados aditivos condutores, como os nanotubos de carbono, em que a secagem rápida e a recuperação do pó são as principais preocupações.

• Secagem por pulverização a baixa temperatura para materiais aglutinantes sensíveis ao calor, tais como sistemas à base de PAA.

De máquinas separadas a uma linha de produção inteligente integrada

Uma linha de produção de materiais para baterias industriais funciona melhor quando a alimentação, a dosagem, a moagem, o controlo do tamanho das partículas, a secagem, a recuperação de pó e os dados do processo são coordenados como um único sistema. A Longxin pode integrar alimentação a vácuo, dosagem gravimétrica, nano-moagem, monitorização em linha, secagem por pulverização em câmara fechada, peneiramento, recolha de poeiras e recuperação de calor sob controlo baseado em PLC.

• A transferência fechada entre as etapas do processo reduz a manipulação manual e o risco de contaminação por partículas estranhas.

• Parâmetros-chave, tais como a temperatura de moagem, a viscosidade da pasta, a velocidade do atomizador e a temperatura do ar de entrada, podem ser interligados através do sistema de controlo.

• O controlo baseado em receitas permite uma transição mais rápida entre diferentes formulações de materiais para baterias.

• É possível integrar módulos de recuperação de calor e de controlo de poeiras na linha de produção, a fim de melhorar a utilização da energia e a limpeza da fábrica.

Áreas de aplicação típicas

• Moagem e secagem por pulverização de precursores de cátodos de manganês ricos em lítio e LMFP.

• Anodo de silício-carbono, processamento de precursores de nano-silício e carbono poroso.

• Moagem de eletrólitos sólidos de sulfureto e óxido e secagem em atmosfera controlada.

• Secagem com nanotubos de carbono e outros aditivos condutores.

• Secagem de aglutinantes para baterias e preparação de pós.

• Alumina de elevada pureza e outros pós funcionais utilizados em separadores de baterias e componentes relacionados.

Validação do processo antes da ampliação da escala

No que diz respeito aos novos materiais para baterias, a seleção do equipamento deve começar pelos ensaios dos materiais, em vez de se basear apenas nas especificações dos catálogos. A Longxin apoia a realização de ensaios, desde pequenas unidades laboratoriais até sistemas de moagem e secagem à escala piloto. Os ensaios podem ser utilizados para avaliar a distribuição granulométrica, a viscosidade da pasta, o comportamento térmico, o risco de contaminação, a morfologia do pó e a resposta à secagem antes de a linha de produção ser finalizada.

Esta abordagem ajuda os fabricantes de materiais a comparar percursos de processo, a determinar os materiais de contacto e os meios de moagem adequados e a estabelecer uma janela de funcionamento antes de avançarem com um sistema de produção em grande escala.

Criar um caminho mais estável para a ampliação da produção de materiais para baterias

À medida que a composição química das baterias se torna mais diversificada, a plataforma de equipamento tem de se tornar mais flexível. O valor de uma linha integrada de nanomoagem e secagem por pulverização não reside apenas num maior rendimento; reside na capacidade de controlar de forma consistente o tamanho das partículas, a temperatura, a pureza, a morfologia dos grânulos e os dados de produção, de um lote para o outro. Para projetos de materiais para baterias da próxima geração, essa estabilidade do processo é um elemento fundamental na transição do desenvolvimento da formulação para a produção industrial repetível.