Zirkoniaperlen werden zum Mahlen der Anoden- und Kathodenmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Im Folgenden finden Sie drei Methoden zur Herstellung von Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) unter Verwendung von Zirkoniaperlen.
Carbothermische Reduktionsmethode
Das carbothermische Reduktionsverfahren nutzt die reduzierende Eigenschaft von Kohlenstoff, um Fe3+ zu reduzieren und gleichzeitig eine Kohlenstoffbeschichtung auf der Oberfläche von LiFePO4 zu bilden. Diese Kohlenstoffbeschichtung verhindert die Partikelaggregation, erhöht den Kontakt zwischen den Partikeln und verbessert die elektrische Leitfähigkeit. Einer seiner Vorteile besteht darin, dass während der Synthese eine stark reduzierende Atmosphäre entsteht, wodurch nicht nur zweiwertige Eisenverbindungen, sondern auch dreiwertige Eisenverbindungen als Eisenquellen verwendet werden können, was die Kosten senkt. Unternehmen wie Valence in den USA und Suzhou Hengzheng haben dieses Verfahren zur Herstellung von LiFePO4 übernommen. Dieses Verfahren bietet den Vorteil eines einfachen und kontrollierbaren Produktionsprozesses, bei dem nach einem einzigen Sintern eine Probe entnommen werden kann, was einen alternativen Weg für die Industrialisierung von LiFePO4 bietet. Unter Verwendung von Fe2O3, Li2CO3, NH4H2PO4 und Ruß als Rohstoffe werden LiFePO4/C-Pulver mithilfe des carbothermischen Reduktionsverfahrens hergestellt. Das bei 700 °C in einer inerten Atmosphäre synthetisierte LiFePO4/C weist eine ausgezeichnete Kristallinität und eine hohe anfängliche Lade-/Entladekapazität von 150 mAh/g auf. Untersuchungen zur Herstellung von Lithiumeisenphosphat-Kathodenmaterialien unter Verwendung von Eisenoxid als Eisenquelle und der carbothermischen Reduktionsmethode haben den Reaktionsmechanismus erforscht. In der Reaktion reagiert Fe2O3 → Fe3O4 → FeO, und FeO reagiert bei 600 °C mit LiH2PO4 zu LiFePO4. Unter Verwendung von CH3COOLi, NH4H2PO4, Fe(CH3COO)2 und Zitronensäure als Rohstoffe wird das gewünschte Produkt durch Kugelmahlen, Trocknen, Pressen und Sintern erhalten. Diese Probe weist eine gute elektrochemische Leistung mit einer anfänglichen Entladekapazität von 148 mAh/g bei 0,2 C-Rate und einem Kapazitätsverlust von lediglich 3 % nach 50 Zyklen auf. Die Auswirkungen von drei Prozessfaktoren (Sintertemperatur, Sinterzeit und Kohlenstoffgehalt) auf die elektrochemische Leistung wurden untersucht. Durch optimierte Experimente wurde festgestellt, dass die besten Prozessbedingungen ein Kohlenstoffgehalt von 12 % und ein Sintern bei 750 °C für 15 Stunden sind. Unter diesen Bedingungen zeigte die synthetisierte Probe die beste elektrochemische Leistung mit einer anfänglichen Lade-/Entladekapazität von 140 mAh/g und einer Kapazitätserhaltungsrate von 97 % nach 80 Zyklen.
Mikrowellen-Sinterverfahren
Das Mikrowellensinterverfahren, das sich durch sein starkes Durchdringungsvermögen auszeichnet, ermöglicht die gleichzeitige Erwärmung sowohl der Oberfläche als auch der Mitte eines Objekts, wodurch eine gleichmäßige Wärmeverteilung erreicht wird. Im Vergleich zu anderen Heizverfahren zeichnet es sich durch schnelle Heizraten, kurze Synthesezeiten, gleichmäßige Erwärmung und geringen Energieverbrauch aus. Die Herstellung von LiFePO4 mithilfe des Mikrowellenverfahrens umfasst das Kugelmahlen stöchiometrischer Verhältnisse von Fe(CH3COO)2, Fe(CH2CHOHCOO)2·2H2O und Fe als Eisenquellen mit Li2CO3 und NH4H2PO4 unter Verwendung von Zirkoniaperlen. Nach dem Trocknen und Pressen werden die Proben in Tiegel gegeben und in einem Haushaltsmikrowellenherd erhitzt. Bemerkenswerterweise absorbiert Fe(CH2CHOHCOO)2 keine Mikrowellen und reagiert daher nicht. Versuchsergebnisse zeigen, dass die Mikrowellenerhitzungszeit ein entscheidender Faktor bei der Synthese von LiFePO4 ist. Proben, die aus Fe als Eisenquelle gewonnen wurden, weisen eine überlegene elektrochemische Leistung mit einer anfänglichen Entladekapazität von 125 mAh/g bei 60 °C und 0,1 C-Rate auf. Unter Verwendung von FeC2O4 als Rohmaterial, Einarbeitung von 15 % Graphitpulver und Mahlen, Pressen und Vorzersetzung werden die Proben dann in einen 500-W-Haushaltsmikrowellenherd gelegt. Die Analyse der Erhitzungszeit zeigt ihre Auswirkungen auf die Struktur und Morphologie der Probe. LiFePO4 beginnt sich nach 5 Minuten Erhitzung zu bilden, aber die Kristallstruktur ist unvollständig und blockförmig. Erhitzung für 9 Minuten führt zu scharfen Beugungsspitzen, was auf gut entwickelte Kristalle mit der kleinsten Korngröße hinweist. Erhitzung für 11 Minuten führt jedoch zur Bildung einer Verunreinigungsphase, Fe3(PO4)2, wahrscheinlich aufgrund von Zersetzung durch übermäßige Erhitzung. Die optimale Probe, die nach 9 Minuten Mikrowellenerhitzung erhalten wird, weist eine vollständige Kristallstruktur mit der kleinsten Korngröße und einer anfänglichen Entladekapazität von 148 mAh/g auf.
Mechanochemische Methode
Die mechanochemische Methode wird zur Herstellung hochdisperser Verbindungen eingesetzt. Durch die Anwendung mechanischer Kraft werden Partikel zerkleinert, wodurch die Kontaktfläche vergrößert und Gitterfehler entstehen, wodurch chemische Reaktionen gefördert werden. Unter Verwendung von LiOH, FeC2O4 und (NH4)2HPO4 als Rohstoffe werden LiFePO4-Kathodenmaterialien mit hervorragender elektrochemischer Leistung durch einen mechanischen Legierungsprozess hergestellt. Durch 24-stündiges Kugelmahlen von Fe3(PO4)2, Li3PO4 und Saccharose in einer Planetenkugelmühle unter Verwendung von Zirkoniaperlen und anschließender Wärmebehandlung bei 500 °C für 15 Minuten unter Stickstoffatmosphäre wird LiFePO4 synthetisiert. Das wärmebehandelte LiFePO4 weist eine vollständige Kristallstruktur mit einem leitfähigen Kohlenstoffzusatz auf. Seine spezifische Entladekapazität bei 0,2 C liegt nahe am theoretischen Wert von 160 mAh/g und weist eine hervorragende Zyklenleistung auf.
Abschluss
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Zirkoniaperlen eine wichtige Rolle beim Mahlprozess der Anoden- und Kathodenmaterialien für Lithiumbatterien spielen, insbesondere bei der Herstellung von Lithiumeisenphosphat. Ihre Anwendung hat es ermöglicht, mit drei verschiedenen Herstellungsmethoden – der carbothermischen Reduktionsmethode, der Mikrowellensintermethode und der mechanochemischen Methode – bemerkenswerte Ergebnisse zu erzielen. Durch die Optimierung der Prozessparameter konnten mit diesen Methoden erfolgreich Lithiumeisenphosphatmaterialien mit hoher elektrochemischer Leistung hergestellt werden, die die Leistungssteigerung und industrielle Produktion von Lithiumbatterien stark unterstützen . Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie und weiterer Forschung ist zu erwarten, dass die Anwendung von Zirkoniaperlen im Bereich der Lithiumbatterien umfangreicher wird und erheblich zur Entwicklung des neuen Energiesektors beiträgt.
