Passar da inovação de processos para a produção industrial
Os materiais à base de manganês ricos em lítio constituem uma classe de materiais catódicos para baterias de lítio que utilizam o manganês como componente principal e apresentam uma estrutura de super-rede. A sua capacidade específica de descarga excede significativamente a dos materiais catódicos ternários convencionais e do fosfato de ferro e lítio. Após anos de investigação dedicada, foram alcançados avanços na eliminação da queda de tensão, na supressão da geração de gás nas baterias e na melhoria do desempenho em condições de alta corrente. Estes avanços podem permitir uma melhoria revolucionária na densidade energética das baterias de potência e apoiar aumentos contínuos na autonomia dos veículos elétricos. Os materiais catódicos à base de manganês ricos em lítio também reduzem a dependência de recursos importados escassos, como o cobalto e o níquel. Ao tirar partido dos abundantes recursos de manganês da China, ajudam a garantir o abastecimento de matérias-primas da indústria na origem e tornaram-se um dos principais candidatos para as baterias de lítio de alta densidade energética da próxima geração.
À medida que o setor das novas energias avança a passos largos rumo a uma maior densidade energética, maior segurança e custos mais baixos, os materiais catódicos à base de manganês ricos em lítio estão a passar da investigação laboratorial para a vanguarda da industrialização. A sua capacidade específica ultra-elevada e a baixa dependência de recursos tornam-nos uma via fundamental para superar os estrangulamentos em termos de densidade energética e as preocupações com a segurança dos recursos. No entanto, para concretizar plenamente o potencial destes materiais, são necessários processos de produção e equipamentos compatíveis. As suas complexas estruturas cristalinas e características eletroquímicas impõem requisitos rigorosos a operações fundamentais, tais como a moagem e a dispersão, a secagem e a formação de pó, bem como a calcinação e o revestimento.
Com uma vasta experiência em equipamentos para materiais de novas fontes de energia, a Longxin Smart identificou os principais desafios de produção e criou um portfólio de equipamentos que abrange todo o processo, incluindo moagem, secagem e calcinação. Através da inovação tecnológica, a empresa pretende eliminar as barreiras à produção, apoiar a produção em escala comercial de materiais à base de manganês ricos em lítio e impulsionar o avanço tecnológico e a transformação industrial no domínio dos materiais para baterias de estado sólido, materiais catódicos ternários, materiais catódicos de energia específica ultra-elevada e áreas relacionadas.
Processos de produção atuais e principais desafios para os materiais catódicos à base de manganês ricos em lítio
A industrialização de materiais catódicos à base de manganês ricos em lítio tem sido, há muito, limitada por processos de produção complexos e estrangulamentos técnicos. Os métodos de produção convencionais baseiam-se geralmente em vias de produção ternárias, recorrendo principalmente à síntese de precursores por coprecipitação, seguida de sinterização a alta temperatura, juntamente com etapas de pós-processamento, tais como moagem, dispersão e revestimento superficial. No entanto, quando aplicados às características específicas dos materiais à base de manganês ricos em lítio, estes processos apresentam vários problemas significativos:
(1) Preparação da matéria-prima
Os materiais à base de manganês ricos em lítio exigem uma mistura uniforme, ao nível atómico, de vários elementos, incluindo níquel, cobalto, manganês e lítio. A coprecipitação convencional envolve longos ciclos de reação e pode gerar águas residuais com azoto amoniacal. É também difícil controlar com precisão a distribuição granulométrica e a consistência morfológica dos precursores, o que resulta numa estabilidade insuficiente da estrutura cristalina do produto posteriormente calcinado e afeta diretamente o desempenho do ciclo e a estabilidade da tensão. Alguns processos utilizam a mistura em estado sólido, mas este método não consegue alcançar uma dispersão uniforme dos elementos e é propenso à segregação local da composição, causando flutuações no desempenho eletroquímico.
(2) Moagem e dispersão: encontrar o equilíbrio entre o refinamento e a escala
A microestrutura dos materiais à base de manganês ricos em lítio exige uma precisão de moagem extremamente elevada. As partículas têm de ser refinadas até à escala nanométrica para melhorar a eficiência do transporte iónico. No entanto, os equipamentos de moagem convencionais apresentam desvantagens, incluindo elevado consumo de energia, baixa capacidade e o risco de introdução de impurezas. É também difícil garantir uma dispersão uniforme do material durante a produção em grande escala, o que resulta numa fraca consistência entre lotes. Além disso, a tensão mecânica excessiva durante a moagem pode danificar a estrutura reticular do material e causar uma degradação do desempenho.
(3) Secagem e formação do pó
A secagem e a formação de pó são etapas críticas que determinam a morfologia e as propriedades físico-químicas do material. As tecnologias de secagem existentes apresentam limitações notáveis. A secagem em forno é ineficiente e tende a causar a aglomeração do material. Os secadores por pulverização convencionais produzem frequentemente uma atomização irregular e uma forte adesão às paredes ao processar precursores de elevada viscosidade, o que resulta numa ampla distribuição granulométrica e numa baixa densidade aparente, afetando a transferência de calor e de massa durante a calcinação subsequente. A remoção incompleta da humidade durante a secagem pode também provocar reações secundárias durante a calcinação e danificar a estrutura de super-rede do material.
(4) Calcinação e revestimento: controlo preciso da temperatura e revestimento uniforme
Os materiais à base de manganês ricos em lítio requerem um aquecimento por fases durante a calcinação, com requisitos rigorosos quanto ao perfil de temperatura e ao ambiente atmosférico. O equipamento de calcinação convencional apresenta frequentemente uma fraca uniformidade do campo de temperatura e um controlo inflexível da taxa de aquecimento, o que pode levar a um crescimento cristalino incompleto ou à formação de fases de impurezas, causando a queda da tensão e a perda de capacidade. O revestimento superficial é uma tecnologia fundamental para melhorar a estabilidade do material, mas os processos de revestimento convencionais têm dificuldade em produzir camadas de revestimento uniformes à escala nanométrica. A delaminação do revestimento ou a espessura irregular podem intensificar as reações interfaciais e impedir a supressão eficaz da libertação de oxigénio ativo e da dissolução de iões metálicos.
Estes obstáculos técnicos limitam severamente a industrialização de materiais à base de manganês ricos em lítio. Por conseguinte, é urgentemente necessária uma solução integrada de equipamento para todo o processo que combine elevada eficiência, precisão e estabilidade.
Portfólio de equipamentos para todo o processo da Longxin Smart: ligando as etapas-chave da produção de materiais à base de manganês ricos em lítio
Para dar resposta aos desafios de produção relacionados com os materiais catódicos à base de manganês ricos em lítio, a Longxin Smart desenvolveu um sistema completo de equipamentos que abrange a moagem e dispersão, a secagem e a formação de pó, bem como a calcinação e o revestimento. Apoiado por três plataformas de equipamento principais, o sistema otimiza todo o processo, desde o tratamento das matérias-primas até ao fabrico do produto acabado, e proporciona uma base sólida para a produção à escala industrial.
(1) Moagem e dispersão: O moinho de esferas do tipo pino de alto caudal reforça a consistência do produto
O moinho de esferas de alto fluxo do tipo pino, desenvolvido de forma independente pela Longxin Smart, foi concebido para a moagem e dispersão em grande escala de materiais à base de manganês ricos em lítio. Este equipamento representa um duplo avanço em termos de dispersão de precisão e produção eficiente.
① O equipamento utiliza uma estrutura de moagem distinta do tipo pino, com meios de moagem de zircónia altamente resistentes ao desgaste. Isto ajuda a manter a eficiência da moagem, reduzindo simultaneamente o risco de introdução de impurezas e protegendo a pureza do material.
② O seu design inovador do percurso de fluxo aumenta o rendimento do material em mais de 20%, e a capacidade de uma única unidade pode atingir 1,5 vezes a dos equipamentos convencionais, satisfazendo os requisitos de produção em grande escala.
③ Um sistema inteligente de controlo de frequência variável ajusta com precisão a velocidade de moagem e o fluxo de material para controlar a granulometria. O material pode ser disperso em nanopartículas uniformes com uma amplitude estreita de granulometria (D90/D10), o que ajuda a garantir a consistência da microestrutura.
④ Um sistema de arrefecimento integrado controla a temperatura de moagem em tempo real, ajudando a prevenir danos na estrutura cristalina causados pelo sobreaquecimento e preservando, na medida do possível, as propriedades originais do material.
Através da dispersão de precisão proporcionada por este equipamento, os percursos de transporte de iões no interior dos materiais à base de manganês ricos em lítio são encurtados, estabelecendo uma base sólida para um melhor desempenho eletroquímico.
(2) Secagem e formação de pó: A torre de secagem por pulverização com fluxo de ar dá resposta a dois desafios fundamentais
A torre de secagem por pulverização com fluxo de ar da Longxin Smart, recentemente atualizada, oferece uma solução inovadora de secagem para os requisitos de alta viscosidade e controlo do tamanho das partículas dos precursores de materiais à base de manganês ricos em lítio.
① O sistema utiliza tecnologia de atomização de três fluidos. Um fluxo de ar a alta velocidade incide sobre o material e dispersa os precursores de elevada viscosidade em gotículas finas. A uniformidade da atomização excede significativamente a dos bicos convencionais de dois fluidos, resolvendo eficazmente problemas comuns na indústria, tais como a dificuldade de atomização e a forte aderência às paredes durante o processamento de materiais de elevada viscosidade.
② Uma vantagem fundamental do equipamento é a combinação de um controlo preciso da temperatura com uma secagem eficiente. O sistema de controlo de temperatura em circuito fechado permite um ajuste preciso da temperatura do ar de entrada num intervalo de 200–300 °C e proporciona uma precisão no controlo da temperatura do ar de saída de ±5 °C. Isto permite uma secagem rápida num curto espaço de tempo e ajuda a evitar a humidade residual.
③ A estrutura da câmara de secagem foi otimizada e combinada com um distribuidor de fluxo de ar ajustável, de modo a reduzir a aderência do material às paredes e melhorar o rendimento do produto. O produto seco apresenta uma morfologia esférica uniforme e uma distribuição granulométrica concentrada, constituindo uma excelente matéria-prima para a calcinação subsequente.
(3) Calcinação e revestimento: O forno rotativo de calcinação com atmosfera controlada proporciona uma “armadura” protetora ao material
O forno rotativo de calcinação com controlo de atmosfera da Longxin Smart foi concebido para a calcinação por fases e o revestimento superficial de materiais à base de manganês ricos em lítio, proporcionando uma solução integrada para uma calcinação precisa e um revestimento uniforme.
① Os materiais refratários de alta qualidade e os elementos de aquecimento de precisão criam um campo de temperatura uniforme e estável, com flutuações inferiores a ±5 °C. O sistema adapta-se com precisão aos requisitos do processo em fases para materiais à base de manganês ricos em lítio, incluindo a pré-calcinação a 400–500 °C e a sinterização a 650–850 °C. A estrutura rotativa agita o material de forma exaustiva durante a calcinação, garantindo um aquecimento uniforme, evitando o sobreaquecimento localizado ou reações incompletas e melhorando a integridade e a consistência da estrutura cristalina.
② No que diz respeito ao controlo da atmosfera, um sistema de controlo do fluxo de gás de alta precisão permite o ajuste flexível do ar, do azoto, do árgon e de outros componentes atmosféricos, de modo a satisfazer os requisitos das diferentes fases de calcinação. Isto ajuda a suprimir a formação de fases de impurezas e a perda de oxigénio reticular.
③ No que diz respeito ao revestimento de superfícies, o forno incorpora uma função de revestimento in situ. Através do controlo preciso da atomização e da distribuição dos agentes de revestimento, este permite a formação de camadas de revestimento uniformes à escala nanométrica que ajudam a impedir o contacto direto entre o eletrólito e o material ativo, a suprimir reações secundárias interfaciais e a dissolução de iões metálicos, e a proporcionar uma camada protetora ao material.
Análise aprofundada do equipamento essencial: soluções específicas para os desafios da produção
(1) Moinho de esferas do tipo pino de alto caudal
Este equipamento é uma inovação fundamental desenvolvida pela Longxin Smart para a moagem de materiais à base de manganês ricos em lítio e apresenta três vantagens principais:
① Dispersão eficiente:
Um sistema de moagem com pinos de elevada energia cinética melhora a eficiência da moagem em comparação com o equipamento convencional e permite uma rápida dispersão à escala nanométrica com boa uniformidade, resolvendo eficazmente a segregação da composição.
② Conceção para uma produção em série estável:
Os canais de grande caudal e as estruturas resistentes ao desgaste contribuem para garantir um funcionamento contínuo e estável, bem como longos períodos de funcionamento ininterruptos, satisfazendo os requisitos da produção em massa industrial.
③ Controlo inteligente e preciso:
Um sistema de controlo PLC monitoriza parâmetros como a temperatura de moagem, a pressão e o caudal em tempo real e permite a rastreabilidade dos parâmetros e o ajuste automático, de modo a garantir a consistência entre lotes.
(2) Torre de secagem por pulverização com fluxo de ar
Enquanto equipamento principal para a secagem e a formação de pó, a torre de secagem por pulverização com fluxo de ar apresenta as seguintes características técnicas de destaque:
① Um bocal de três fluidos permite o ajuste preciso do tamanho das partículas atomizadas na gama de 5 a 10 μm, satisfazendo os requisitos morfológicos dos precursores de materiais à base de manganês ricos em lítio.
② O sistema proporciona uma elevada eficiência de secagem. A ampla área de contacto entre as gotículas e o ar quente, bem como a elevada eficiência na troca de calor, reduzem substancialmente o tempo de secagem, preservando simultaneamente as características originais do material.
③ Um projeto que poupa energia e é ambientalmente responsável incorpora um sistema de recuperação de calor residual para melhorar a utilização da energia. O processo não gera águas residuais e cumpre os requisitos de produção limpa.
④ O funcionamento é flexível e prático. O controlo por ecrã tátil com um único toque permite o ajuste rápido dos parâmetros do processo de acordo com as propriedades do material, adaptando-se a diferentes requisitos de formulação.
(3) Forno rotativo de calcinação com controlo da atmosfera
As principais vantagens competitivas deste equipamento incluem:
① Controlo preciso da temperatura:
O aquecimento em várias fases e os algoritmos inteligentes de controlo de temperatura proporcionam um controlo preciso das taxas de aquecimento e das temperaturas de manutenção, satisfazendo os exigentes requisitos da calcinação por fases para materiais à base de manganês ricos em lítio.
② Calcinação uniforme:
O ângulo de inclinação e a velocidade de rotação do cilindro rotativo são ajustáveis, garantindo uma mistura completa do material e um aquecimento uniforme, ao mesmo tempo que melhoram a estabilidade da estrutura cristalina.
③ Controlo preciso da atmosfera:
Os sensores de gás e os controladores de caudal de alta precisão proporcionam uma precisão no controlo da concentração atmosférica de ±1%, suprimindo eficazmente a oxidação do material e a formação de fases de impurezas.
④ Design integrado:
Ao integrar a calcinação e o revestimento num único sistema, o equipamento simplifica o processo de produção e reduz os custos de investimento em equipamento, contribuindo simultaneamente para garantir a uniformidade e a aderência do revestimento.
A torre de secagem por pulverização com fluxo de ar recentemente melhorada da Longxin: múltiplas vantagens impulsionam a inovação na secagem
A torre de secagem por pulverização com fluxo de ar da Longxin Smart, recentemente atualizada, oferece vantagens técnicas significativas na fase de secagem e formação de pó para materiais à base de manganês ricos em lítio, tendo-se tornado um sistema fundamental para apoiar a produção à escala industrial.
(1) Excelente capacidade de secagem
O sistema utiliza a secagem em corrente paralela, na qual o ar quente e as gotículas fluem na mesma direção para permitir uma rápida transferência de calor e de massa. A evaporação da humidade pode ser concluída em 10 a 30 segundos, melhorando a eficiência de secagem em comparação com o equipamento convencional e reduzindo substancialmente os ciclos de produção. Para fazer face à elevada viscosidade dos precursores de materiais à base de manganês ricos em lítio, o sistema de atomização e o campo de fluxo de ar foram otimizados. O fluxo de ar de alta velocidade gerado pelo bocal de três fluidos fragmenta eficazmente os materiais de alta viscosidade, formando gotículas uniformes, o que permite superar problemas como a atomização irregular e a forte aderência às paredes, comuns nos equipamentos convencionais, e melhorar o rendimento do produto.
(2) Controlo rigoroso da qualidade dos produtos
Através do ajuste preciso da temperatura do ar de entrada, da temperatura do ar de saída e da taxa de alimentação, o sistema consegue controlar a granulometria, a densidade aparente e o teor de humidade do produto. Isto ajuda a garantir uma distribuição granulométrica concentrada e um teor de humidade inferior a 3%, cumprindo os requisitos da calcinação subsequente. O processo de secagem é também suave, ajudando a preservar as propriedades originais do material e a evitar danos estruturais causados por altas temperaturas ou secagem excessiva, contribuindo assim para o desempenho eletroquímico.
(3) Eficiência energética avançada, desempenho ambiental e inteligência
Os materiais de isolamento de alta eficiência e um sistema de recuperação de calor residual reduzem o consumo de energia. O processo não gera águas residuais nem resíduos sólidos, estando em conformidade com os princípios da produção ecológica. Um sistema de automação avançado permite a monitorização em tempo real e o ajuste automático da temperatura do ar de entrada, da temperatura do ar de saída, da taxa de alimentação, da frequência do ventilador e de outros parâmetros, com registo de dados e rastreabilidade para facilitar o controlo de qualidade e a otimização do processo. Além disso, o equipamento apresenta um design estrutural racional e bicos fáceis de desmontar, reduzindo os custos de manutenção e os custos operacionais globais.
(4) Ampla aplicabilidade
Para além dos materiais catódicos à base de manganês ricos em lítio, o equipamento pode ser adaptado a materiais secos para baterias de estado sólido, materiais catódicos ternários, materiais catódicos com energia específica ultra-elevada e outros novos materiais energéticos, proporcionando soluções flexíveis para a industrialização de diferentes materiais.
Com foco na produção em massa: uma solução integral para a transformação industrial
Quando o desenvolvimento de processos para materiais catódicos de energia específica ultra-elevada enfrenta os desafios da entrega e da qualidade, a resposta não é um único equipamento — é uma solução integral que abrange desde a investigação e desenvolvimento até à produção em massa.
Desde a amostragem de formulações e a validação de processos até à produção em grande escala, a Longxin apoia os clientes que trabalham com materiais para baterias de estado sólido, materiais para cátodos ternários, materiais para cátodos com energia específica ultra-elevada, materiais de óxido à base de manganês ricos em lítio e materiais para cátodos à base de manganês ricos em lítio, através de uma capacidade integrada de equipamentos, processos, automação e serviços. Isto ajuda os clientes a efetuar uma transição eficiente do desenvolvimento em laboratório para a produção em fábrica.
(1) Da validação do processo à produção em série: apoio técnico ao longo de todo o processo
A Longxin Smart criou uma plataforma abrangente de desenvolvimento e teste de processos, baseada na sua base de testes de engenharia e industrialização para a preparação de micro e nanomateriais. Para os clientes de materiais à base de manganês ricos em lítio, a empresa oferece apoio ao longo de todo o processo, desde a seleção de equipamentos e a otimização dos parâmetros de processo até à conceção de soluções de engenharia. Os clientes podem realizar validações em laboratório e em escala piloto na base de testes, otimizar formulações e parâmetros de processo utilizando dados experimentais abrangentes e, posteriormente, receber da Longxin Smart uma solução personalizada para a linha de produção em massa, de modo a garantir uma transição harmoniosa do laboratório para a fábrica.
A empresa conta ainda com uma equipa de engenharia profissional que presta serviços de instalação no local, colocação em funcionamento e orientação sobre os processos, ajudando os clientes a alcançar rapidamente uma produção em série estável.
(2) Sistemas integrados de automação e gestão de dados: controlo preciso dos processos de produção
Todos os equipamentos de processo completo da Longxin Smart incorporam sistemas avançados de automatização e digitalização, que abrangem bloqueios de segurança, monitorização do processo e rastreabilidade dos dados. Durante a produção, os equipamentos recolhem em tempo real parâmetros-chave, tais como temperatura, pressão, caudal e distribuição granulométrica, permitindo uma gestão visual de todo o processo através de uma plataforma digital.
A análise de big data e os algoritmos de IA permitem monitorizar os processos em tempo real, emitir alertas precoces e ajustar rapidamente os parâmetros dos processos, de modo a garantir a estabilidade e a consistência do produto. A rastreabilidade dos dados também ajuda os clientes a cumprir os requisitos de conformidade dos processos de produção e constitui um forte apoio ao controlo de qualidade.
(3) Serviço ao longo de todo o ciclo de vida: Apoio a um funcionamento estável a longo prazo
A Longxin Smart segue uma filosofia de serviço centrada no cliente e oferece apoio ao longo de todo o ciclo de vida do equipamento. Após a entrega do equipamento, a empresa presta apoio profissional na instalação e no arranque da produção, de forma a garantir uma rápida colocação em funcionamento. Os operadores recebem formação para os ajudar a dominar as competências de operação e manutenção do equipamento. Um sistema abrangente de fornecimento de peças sobressalentes garante o acesso atempado a peças sobressalentes de alta qualidade e a serviços de manutenção, com vista a reduzir o tempo de inatividade do equipamento. A empresa também oferece atualizações e remodelação do equipamento com base nos requisitos de atualização de processos dos clientes, ajudando a prolongar a vida útil e a otimizar continuamente os custos operacionais totais. Está igualmente disponível uma linha de apoio técnico 24 horas por dia para responder prontamente às questões e comentários dos clientes.
Nesta fase crítica da transição do setor das novas energias rumo a uma maior densidade energética, maior segurança e menor dependência de recursos, a industrialização de materiais catódicos à base de manganês ricos em lítio reveste-se de uma importância marcante. Com foco na inovação tecnológica, a Longxin Smart criou um portfólio de equipamentos que abrange todo o processo, incluindo moagem, secagem e calcinação, respondendo diretamente aos principais desafios de produção e proporcionando uma solução eficiente, precisa e estável para a produção em escala comercial.
No futuro, a Longxin Smart continuará a aprofundar o seu trabalho no domínio dos equipamentos para materiais de energia nova, a atualizar continuamente os seus produtos e serviços e a colaborar com os clientes do setor para promover a industrialização de materiais à base de manganês ricos em lítio, materiais para baterias de estado sólido e outros materiais de energia nova de alta qualidade. Estes esforços visam ajudar a China a reforçar a sua liderança no setor global de materiais de baterias de alta qualidade e proporcionar um forte impulso ao desenvolvimento de novas forças produtivas de qualidade.
