À medida que a densidade energética das baterias de potência se aproxima do seu limite teórico e as limitações de segurança das baterias com eletrólito líquido se tornam cada vez mais evidentes, as baterias de estado sólido são consideradas uma via tecnológica fundamental para as baterias de alta densidade energética da próxima geração. Enquanto elemento central das baterias de estado sólido, a seleção dos materiais do eletrólito sólido e dos respetivos processos de fabrico determina diretamente a densidade energética, a segurança, a vida útil e o desempenho em termos de corrente da bateria. Os eletrólitos sólidos de óxido, com a sua excelente estabilidade térmica, estabilidade química e segurança intrínseca, tornaram-se uma das principais vias para a industrialização de baterias híbridas sólido-líquidas e de baterias totalmente de estado sólido. Para dar resposta aos desafios da produção em grande escala deste material essencial, a Longxin Smart está a utilizar a sua Unidade de Nano-Moagem e Secagem por Pulverização de Materiais para Baterias como plataforma tecnológica fundamental para fazer avançar os eletrólitos sólidos de óxido do desenvolvimento laboratorial para a produção em escala.
Foco nos eletrólitos de estado sólido à base de óxido para enfrentar os desafios da industrialização das baterias totalmente de estado sólido
Nos sistemas de baterias de estado sólido, o eletrólito sólido desempenha a função essencial de transportar iões de lítio entre os elétrodos positivo e negativo. Os principais sistemas de materiais incluem eletrólitos do tipo granada, como o LLZO, eletrólitos do tipo NASICON, como o LATP, eletrólitos do tipo perovskita, como o LLTO, e eletrólitos amorfos, como o LiPON. Entre estes, o LLZO tem suscitado considerável atenção devido à sua estabilidade face aos ânodos de lítio-metal e à sua ampla janela eletroquímica. O LATP é adequado para sistemas de cátodos de alta tensão devido ao seu custo relativamente baixo e à sua boa estabilidade ao ar.
À medida que a industrialização se acelera, o foco da indústria está a passar de indicadores individuais de desempenho eletroquímico para o controlo coordenado das características do pó, do comportamento de sinterização e da estrutura dos limites de grão. Para que os eletrólitos sólidos de óxido alcancem a implantação industrial, os materiais devem proporcionar não só uma elevada condutividade iônica, mas também uma distribuição estreita do tamanho das partículas, boa esfericidade, baixo teor de impurezas e consistência entre lotes. A obtenção destas propriedades depende em grande medida do desempenho estável dos equipamentos e processos de fabrico iniciais.
De “Produzir o material” a “Fabricá-lo de forma consistente”: o equipamento é fundamental para a expansão
A transição de um eletrólito sólido da investigação laboratorial para a produção em grande escala requer várias etapas, incluindo investigação de materiais, validação de processos, adaptação de equipamentos e ampliação da escala de engenharia. Nos modelos operacionais convencionais, a precisão insuficiente da alimentação manual, a baixa eficiência de dispersão e moagem e a dependência da transferência manual entre as etapas do processo podem levar a uma fraca consistência dos lotes, a riscos mais elevados de introdução de impurezas e a ciclos de produção prolongados. Estas limitações dificultam o cumprimento dos rigorosos requisitos de pureza e consistência dos materiais para baterias de estado sólido.
Os avanços nos processos de fabrico de materiais são, por isso, fundamentais para a comercialização da tecnologia. Isto reflete o princípio industrial de “uma geração de materiais, uma geração de equipamentos”: sem equipamentos de fabrico de ponta que se adaptem perfeitamente ao sistema de materiais, nem mesmo a formulação de materiais mais promissora pode ser transformada de forma fiável num produto de produção em massa consistente.
Uma geração de materiais, uma geração de equipamentos: o percurso técnico da unidade integrada de nanomoagem e secagem por pulverização de materiais para baterias
Para dar resposta aos requisitos de fabrico de materiais de baterias de gama alta, tais como eletrólitos de estado sólido à base de óxido, a Longxin Smart integrou as tecnologias essenciais do seu moinho de nanoesferas e do seu secador por pulverização de pó ultrafino, criando assim um percurso de processo integrado baseado na nanomoagem húmida, seguida da remoção do solvente e da secagem.
(1) Processo de mistura em meio líquido: processamento de precisão à escala nanométrica na fase líquida
Este processo é adequado para aplicações de alta qualidade que exigem um controlo rigoroso do tamanho das partículas e uma dispersão uniforme. Após a dosagem, a pasta é bombeada para um moinho de esferas nano «Longxin Smart». Os meios de moagem, tais como esferas de zircónia, rodam a alta velocidade para criar um forte campo de cisalhamento que tritura eficientemente as partículas até à finura pretendida. A estrutura composta por turbina e pino, juntamente com os componentes de moagem modulares, permite um controlo estável do tamanho de partícula D50 e proporciona uma excelente amplitude de distribuição granulométrica.
(2) Processo de remoção do solvente e secagem: formação rápida de partículas
A pasta que atingiu as especificações de moagem exigidas é rapidamente submetida a um processo de secagem por pulverização para remover o solvente e obter pó seco de eletrólito sólido à escala nanométrica. O secador por pulverização de pó ultrafino Longxin Smart utiliza um atomizador centrífugo de alta velocidade para converter a matéria-prima em gotículas uniformes. Após o contacto com ar quente, a secagem é concluída em segundos, produzindo um pó com elevada esfericidade e uma distribuição granulométrica concentrada.
(3) Vantagens do processo que contribuem diretamente para o desempenho da bateria
O processo em nanoescala por via húmida permite obter uma distribuição granulométrica mais estreita e uma melhor esfericidade das partículas, sendo ambos os aspetos importantes para melhorar a densidade e a condutividade iónica das folhas de eletrólito. A seleção cuidadosa e a otimização do sistema de solventes favorecem uma dispersão eficiente, minimizando simultaneamente o solvente residual. O solvente residual também pode ser totalmente removido através de um tratamento térmico subsequente, para evitar efeitos adversos no desempenho da bateria.
(4) Um secador por pulverização multifuncional, do tipo centrífugo e de fluxo de ar, para diversos processos
Para satisfazer os requisitos de fabrico de pós ultrafinos de eletrólitos sólidos compostos por óxidos multicomponentes, a Longxin Smart desenvolveu um secador por pulverização multifunções centrífugo e de fluxo de ar, equipado com atomizadores centrífugos, de fluxo de ar e de pressão. Os utilizadores podem alternar entre os métodos de atomização de acordo com as características do material ou adicionar lanças de pulverização para aumentar a capacidade à medida que as necessidades de produção crescem, combinando a flexibilidade do processo com a eficiência de custos do equipamento.
O sistema está equipado com um eficiente filtro de mangas com jato pulsante e uma unidade de recuperação de calor. A eficiência na captura de poeiras é elevada e o calor residual é recuperado e reutilizado, contribuindo tanto para o cumprimento das normas ambientais como para a redução do consumo de energia.
Cobertura completa de materiais: uma plataforma tecnológica para requisitos diversificados
Os materiais para baterias de estado sólido estão a ser desenvolvidos através de várias vias tecnológicas paralelas, e os diferentes materiais apresentam requisitos de fabrico significativamente distintos. Com base nas suas duas tecnologias principais — nanomoagem e dispersão e secagem por pulverização —, a Longxin Smart desenvolveu soluções de equipamento que abrangem uma gama de materiais essenciais:
(1) Eletrólitos de sulfureto
Uma vez que os eletrólitos de sulfureto são sensíveis ao ar e à humidade e propensos à oxidação, o secador por pulverização de circuito fechado utiliza um gás inerte, como o azoto, como meio de circulação e funciona como um processo totalmente fechado. Os solventes orgânicos evaporados são condensados, separados e recuperados para reutilização. Isto ajuda a prevenir a degradação do material, permitindo simultaneamente a reciclagem do solvente. Estão disponíveis modelos de laboratório, em escala piloto e industriais de grande dimensão para satisfazer os requisitos em todas as fases, desde a investigação até à produção em massa.
(2) Eletrolitos poliméricos
O secador por pulverização com fluxo de ar permite produzir pó ultrafino com um tamanho de partícula na escala dos mícrons e uma distribuição granulométrica concentrada. O bico atomizador é fabricado com materiais resistentes ao desgaste e o sistema de controlo permite o ajuste preciso de parâmetros essenciais, como a temperatura do ar de entrada, proporcionando uma plataforma de validação de processos para novas formulações e processos.
(3) Materiais catódicos à base de manganês ricos em lítio, LMFP, ânodos de silício-carbono e aglutinantes
O sistema de nano-moagem é compatível com sistemas aquosos, à base de óleo e à base de solventes, e permite armazenar várias receitas de processo. Quando combinado com a secagem por pulverização e o controlo automatizado de toda a linha, permite transições flexíveis entre vários tipos de produtos, satisfazendo os requisitos de I&D e produção das empresas de materiais no que diz respeito a pequenos lotes e múltiplas especificações.
Colaboração entre a Indústria, o Mundo Académico e a Investigação: Construir um percurso completo, desde a tecnologia até à indústria
Nos últimos anos, a Longxin Smart tem vindo a colaborar com universidades, institutos de investigação e equipas técnicas especializadas em iniciativas que envolvem a indústria, o meio académico e a investigação. O trabalho tem-se centrado na investigação técnica e na comercialização em materiais avançados para baterias, nanomoagem e dispersão, nanotubos de carbono, eletrólitos sólidos, nanocelulose e outros domínios. Estes esforços têm vindo a estabelecer gradualmente um percurso de transferência de tecnologia que abrange a investigação de materiais, a validação de processos, o equipamento essencial, o aumento de escala dos processos e a aplicação industrial.
Com o apoio das suas tecnologias de linhas de produção de nano-moagem e secagem por pulverização ultrafina, da plataforma de validação experimental, das capacidades de desenvolvimento de equipamentos essenciais e da experiência em engenharia de linha completa, a Longxin Smart trabalha para estabelecer uma ligação estreita entre a investigação científica e as necessidades industriais. A empresa oferece apoio sistemático a nível de equipamentos, processos e engenharia para fazer com que os materiais essenciais das baterias de estado sólido passem da investigação experimental para a produção em grande escala.
Construir juntos o futuro do “lítio”: explorar um novo caminho para o fabrico inteligente de materiais para baterias de estado sólido de alta energia da próxima geração
À primeira vista, a corrida à industrialização das baterias de estado sólido é uma competição entre sistemas de materiais. Porém, por baixo da superfície, trata-se de uma competição em termos de processos de fabrico e capacidades dos equipamentos. Desde a moagem nano e a secagem por pulverização ultrafina para eletrólitos de óxido até à secagem em circuito fechado com gás inerte para eletrólitos de sulfureto, a Longxin Smart tem aproveitado mais de uma década de experiência técnica para continuar a aperfeiçoar equipamentos de secagem, sistemas térmicos industriais e equipamentos inteligentes. A empresa fornece soluções de fabrico eficientes, economizadoras de energia e inteligentes para a indústria de materiais essenciais para baterias de estado sólido.
Olhando para o futuro, a Longxin Smart continuará a reforçar o seu portfólio de soluções de cadeia completa, recorrendo à inovação tecnológica para apoiar a modernização industrial e a produção ecológica e inteligente, com vista a impulsionar o desenvolvimento futuro. Em colaboração com parceiros do setor, a empresa irá explorar novos caminhos de fabrico inteligente para materiais-chave utilizados nas baterias de tração de estado sólido de alta energia da próxima geração e ajudar a impulsionar o setor das novas energias rumo a uma maior eficiência, responsabilidade ambiental e sustentabilidade.
