Précurseurs de cathode

• Précurseurs NCM (nickel-cobalt-manganèse) et NCA (nickel-cobalt-aluminium)
  Les précurseurs NCM et NCA font partie des matériaux de cathode les plus populaires du secteur, en particulier pour les véhicules électriques. Les précurseurs de ces matériaux sont des hydroxydes mixtes, désignés comme suit : Ni_xCo_yMn_(1-x-y)(OH)₂ pour NCM et Ni_xCo_yAl_(1-x-y)(OH)₂ pour NCA.
  
  
• Précurseur de l'oxyde de cobalt au lithium (LCO)
  L'oxyde de cobalt au lithium (LiCoO₂) est largement utilisé dans l'électronique mobile. Le précurseur Co₃O₄ (oxyde de cobalt) est traité avec du carbonate de lithium ou de l'hydroxyde de lithium pour produire le matériau de cathode final. 
  
  
• Précurseur du phosphate de fer au lithium (LFP)
  Les cathodes de phosphate de fer au lithium (LiFePO₄) utilisées dans les batteries EV sont dérivées de précurseurs de phosphate de fer (FePO₄). 
  
  
• Précurseur de l'oxyde de manganèse au lithium (LMO)
  L'oxyde de manganèse (Mn₃O₄) sert de précurseur à l'oxyde de manganèse au lithium (LiMn₂O₄), un matériau connu pour sa capacité de haut débit et sa bonne stabilité thermique, souvent utilisé dans les véhicules hybrides et les outils électriques. 
  
  
• Précurseurs riches en nickel
  La poussée pour des densités d'énergie plus élevées dans les batteries permet aux précurseurs riches en nickel de gagner en importance. Ces précurseurs, souvent représentés sous la forme Ni(OH)₂ avec des quantités variables de dopants, sont utilisés pour produire des matériaux de cathode à forte teneur en nickel. 

La méthode la plus courante pour synthétiser les précurseurs de cathode est la co-précipitation, où les solutions aqueuses des sels métalliques sont mélangées pour former un précurseur liquide. Un agent précipitant, tel que l'hydroxyde de sodium (NaOH) ou l'hydroxyde d'ammonium (NH₄OH), est ajouté à la solution, ce qui provoque le précipité des métaux sous forme d'hydroxydes. 

La co-précipitation est un processus lent. Cela commence par la nucléation, qui s'ensuit par la croissance des particules primaires, et enfin l'agglomération des particules secondaires plus grandes. L'ensemble du processus peut durer entre 20 et 40 heures, selon l'efficacité du processus. 

La température, le pH, la concentration et la vitesse d'agitation de la solution sont soigneusement contrôlés pour garantir une taille des particules et une composition uniformes du précipité. Le produit précipité est généralement un mélange d'hydroxyde ou de carbonate de métal, comme le NixCoyMn_(1-x-y)(OH)₂ pour les précurseurs NCM. Ce précurseur est ensuite mélangé à la LiOH et calciné à 900 ^oC pour former le matériau de cathode final. Ce processus est illustré ci-dessous.

De nombreux paramètres, notamment la composition des slurry, le pH, la température et la vitesse d'agitation, affectent l'efficacité de la co-précipitation. L'optimisation de ces paramètres joue un rôle clé dans la qualité et le rendement des matériaux des précurseurs de cathode des batteries. Pour les surveiller et les contrôler en temps réel en vue d'améliorer l'efficacité du processus de co-précipitation, nous proposons une gamme de solutions d'analyse. Par ailleurs, nos solutions peuvent également vous aider à vous assurer que vos matériaux de précurseurs présentent les propriétés souhaitées pour une transformation ultérieure en matériau actif de cathode.

La qualité et le rendement du précurseur de cathode peuvent être optimisés en mesurant et en contrôlant les paramètres suivants :

• Taille des particules
• Forme des particules
• Composition chimique et impuretés
  
• Analyse de la phase cristalline
  
• Potentiel zêta
  

Pour en savoir plus, consultez chaque paramètre ci-après.

Les particules du précurseur se nucléent, se développent puis s'agglomèrent pour former des particules secondaires plus grandes. Pour garantir une efficacité de production optimale, ces particules doivent dépasser leur taille cible le plus rapidement possible. La mesure de la taille des particules par rapport au temps est donc un moyen important de régler avec précision les paramètres du procédé dans le réacteur de slurry.

La diffraction laser est l'un des meilleurs moyens de mesurer avec précision la distribution granulométrique pour contrôler le processus et la qualité. Reconnu par les fabricants de cellules de batterie et de matériaux de batterie dans le monde entier, le Mastersizer 3000 est devenu la norme de facto en matière d'analyse granulométrique. 

La gamme Mastersizer de granulomètres par diffraction laser constitue désormais la norme en matière de distributions granulométriques rapides et précises pour les dispersions humides et sèches. Et ce n'est pas tout : le NOUVEAU Mastersizer 3000+ intègre des fonctionnalités avancées, dont Size Sure et Data Quality Guidance.

Notre granulomètre automatisé Insitec est idéal pour réaliser ces mesures dans un environnement de production, car il offre une analyse en temps réel toutes les quelques secondes. 

À l'aide d'une boucle de rétroaction, ces informations peuvent être utilisées pour ajuster des paramètres tels que le pH, la température ou la vitesse d'agitation. 

De plus, il peut également assurer une synergie avec les flux de processus de fabrication intelligents. Cela permet d'obtenir des rendements élevés : en général, une usine de fabrication de cathode produisant 1000 kg de matériau de cathode par jour peut économiser jusqu'à 200 000 USD par an en analysant la taille des particules de slurry précurseur avec l'Insitec.

La forme des particules joue un rôle important dans la formation de particules secondaires stables et peut influencer de manière significative le rendement des précurseurs (masse volumique tassée), ainsi que la qualité du matériau de cathode final. Par exemple, les particules allongées sont plus susceptibles de se briser et de se dissoudre à nouveau dans un slurry agité à haut débit.

Pour permettre aux fabricants d'analyser et d'optimiser la forme des particules, Morphologi 4, notre outil d'imagerie optique, peut être utilisé pour mesurer des paramètres tels que la circularité, le rapport élongation/aspect, le diamètre du cercle équivalent (CE) et la transparence, grâce à son analyse d'image entièrement automatisée.

Pour obtenir une composition chimique optimale dans les matériaux de cathode finaux, elle doit d'abord être contrôlée au niveau du précurseur. La fluorescence X (XRF), qui peut analyser la composition chimique et les impuretés à partir de quelques ppm jusqu'à 100 %, est la meilleure technique pour analyser la composition chimique.

La fluorescence X offre un moyen plus simple et plus précis de mesurer la composition élémentaire que la spectrométrie de masse par plasma à couplage inductif (ICP), car elle ne nécessite pas de dilution d'échantillon ou de digestion acide. De nombreuses grandes entreprises de batteries utilisent nos spectromètres de paillasse EDXRF Epsilon 4 ou Zetium WDXRF pour analyser la composition des matériaux de cathode et de précurseur. 

Notre nouveau système EDXRF haut de gamme Revontium vient compléter ces fonctionnalités. Nos normes de référence de batterie, nos systèmes de fusion Forj / Egon 2 et notre expertise nous permettent de proposer une solution complète qui peut égaler, voire dépasser, la précision de l'analyse ICP.

Les solutions d'analyse de composition élémentaire en ligne comprennent Epsilon XFlow pour les précurseurs de liquide de batterie et Epsilon XLine pour l'analyse du revêtement de l'électrode. 

La phase cristalline fait référence à la structure des matériaux à l'échelle atomique, c'est-à-dire l'échelle à laquelle le transport ionique ou électronique se produit ou est entravé. La composition en phase cristalline du précurseur peut fournir une indication précoce de la qualité du matériau de cathode final. 

Pour analyser avec précision la composition en phase cristalline des matériaux précurseurs de cathode, les fabricants peuvent utiliser notre diffractomètre à rayons X compact Aeris, un instrument facile à utiliser avec une qualité de données exceptionnelle.

La précipitation des particules de la solution précurseur de la cathode repose sur des particules primaires (de 50 à 100 nm) qui interagissent pour former des particules secondaires plus grandes (de 10 à 20 µm). Le potentiel zêta peut être utilisé pour analyser et ajuster les valeurs de pH et de température afin d'optimiser ces interactions. 

Notre Zetasizer mesure avec précision le potentiel zêta et peut également compléter votre activité de R&D sur la synthèse des précurseurs.