चीन: बैटरी अग्रदूतों के उत्पादन के लिए प्रौद्योगिकियाँ? 

जब लिथियम-आयन बैटरी के लिए चीनी अग्रदूतों के बारे में बात की जाती है, तो कई लोग तुरंत विशाल पैमाने और कम कीमत की कल्पना करते हैं। लेकिन यह अक्सर मुद्दा भूल जाता है - वास्तविक तकनीकी दौड़ टन भार के बारे में नहीं है, बल्कि कणों की स्थिरता, प्रक्रियाओं की शुद्धता और एक विशिष्ट कैथोड सामग्री के लिए एक लाइन को अनुकूलित करने की क्षमता के बारे में है। नए खिलाड़ी जो सबसे आम गलती करते हैं वह यह सोचना है कि उपकरण खरीदने के बाद उन्होंने तकनीक भी खरीद ली है। लेकिन वास्तव में, संश्लेषण की सूक्ष्मताएं, पीपीएम स्तर पर अशुद्धियों का नियंत्रण, सुखाने की बारीकियां - यही वह जगह है जहां प्रीमियम उत्पाद और दोषपूर्ण उत्पाद के बीच अंतर निहित है।

पाउडर से अग्रदूत तक: जहां भाले टूटते हैं

आइए एक बुनियादी प्रतीत होने वाली बात को लें - सह-अवक्षेपण विधि द्वारा निकल-कोबाल्ट-मैंगनीज (एनसीएम) अग्रदूत का संश्लेषण। पाठ्यपुस्तक में, सब कुछ सरल है: नमक और क्षार मिलाएं, पीएच और तापमान को नियंत्रित करें - आपको वांछित गोलाकार समूह मिलते हैं। वास्तव में, प्रत्येक चरण गलतियों का क्षेत्र है। उदाहरण के लिए, समाधानों की आपूर्ति की गति. पूर्ण एकरूपता को स्वचालित करना संभव प्रतीत होता है। लेकिन यदि आप रिएक्टर में एकाग्रता में स्थानीय उतार-चढ़ाव को ध्यान में नहीं रखते हैं, खासकर बड़ी मात्रा में, तो सजातीय क्षेत्रों के बजाय आपको "मिश्रित" क्षेत्र मिलते हैं। छोटे और बड़े कणों से. फिर यह कैथोड परत के निर्माण के दौरान आपको परेशान करने के लिए वापस आएगा।

प्रायोगिक लाइन पर हमारा एक प्रारंभिक प्रयास ठीक इसी बिंदु पर विफल रहा। हमने अग्रदूत के उच्च घनत्व का पीछा किया और समाधान में धातुओं की एकाग्रता में वृद्धि की। बड़े पैमाने पर उपज में वृद्धि हुई है, लेकिन तैयार बैटरी की विशेषताओं में वृद्धि नहीं हुई है। इसे खोलने पर पता चला कि बहुत तेजी से बढ़ने के कारण बड़े कणों के अंदर गुहाएं बन गई हैं। बाद के लिथियमेशन के दौरान, लिथियम गहराई में समान रूप से प्रवेश नहीं कर सका। हमें रिएक्टर में एकाग्रता, मिश्रण गति और निवास समय के बीच संतुलन पर लौटना पड़ा। यह एक उत्कृष्ट मामला था जहां एक पैरामीटर को अनुकूलित करने से अन्य सभी पैरामीटर ख़त्म हो जाते हैं।

या धो लें. अवशिष्ट सल्फेट्स या सोडियम लंबे बैटरी जीवन चक्र के लिए मृत्यु हैं। बहुत से लोग सोचते हैं: "आइए अधिक विआयनीकृत पानी डालें और सब कुछ ठीक हो जाएगा?" लेकिन अत्यधिक धुलाई से कणों की सतह का ऑक्सीकरण होता है, विशेष रूप से उच्च निकल सामग्री वाली रचनाओं के लिए। फिर आपको विश्लेषण में यह ऑक्साइड परत मिलती है, और यह लिथियम आयनों के लिए बाधा के रूप में काम करती है। हमें एक पूरी प्रक्रिया बनानी होगी: अंतिम चरण में निष्क्रिय वातावरण का उपयोग करके, धोने के पानी की विद्युत चालकता की निगरानी करना। यह "रसोईघर" है जो पेटेंट में सादे पाठ में नहीं लिखा गया है।

उपकरण और उसकी प्रकृति

उपकरणों के बारे में बोलते हुए, कोई भी ऐसे खिलाड़ियों का उल्लेख करने से नहीं चूक सकताचेंगदू यिझी प्रौद्योगिकी कंपनी. 2013 में हुआक्सी टेक्नोलॉजी के तहत एक डिजाइन संस्थान के रूप में स्थापित, 120 मिलियन युआन की पंजीकृत पूंजी के साथ, यह कंपनी कई चीनी निर्माताओं के लिए आपूर्ति श्रृंखला में लगातार उपस्थिति रखती है। उनकी वेबसाइटyzkjhx.ruदृष्टिकोण को अच्छी तरह से दर्शाता है: वे केवल रिएक्टर या ड्रायर नहीं बेचते हैं, बल्कि पूर्ण चक्र इंजीनियरिंग की पेशकश करते हैं। अभ्यास में इसका क्या मतलब है? उदाहरण के लिए, वे उन स्थानीय सांद्रता उतार-चढ़ाव को कम करने के लिए अभिकर्मक आपूर्ति प्रणाली को फिर से डिज़ाइन करने में मदद कर सकते हैं जिनकी मैंने चर्चा की थी।

लेकिन अच्छे "हार्डवेयर" के साथ भी तकनीकी नियम महत्वपूर्ण बने रहते हैं। मुझे एक पंक्ति की एक कहानी याद है जिसमें लोहे की अशुद्धियों को कम करने के लिए एक विशेष मिश्र धातु से बने रिएक्टरों का उपयोग किया गया था। जब तक उन्होंने सोडियम हाइड्रॉक्साइड आपूर्तिकर्ता नहीं बदला तब तक सब कुछ सही था। नये उत्पाद में क्लोराइड का स्तर थोड़ा बढ़ा हुआ दिखा। अधिकांश प्रक्रियाओं के लिए महत्वपूर्ण नहीं है, लेकिन हमारे मामले में यह धीरे-धीरे, मानक तरीकों से लगभग अवांछनीय, मिश्र धातु की उस सुरक्षात्मक परत को नष्ट करना शुरू कर दिया। उत्पाद में लोहा चला गया। दोष केवल तैयार कोशिकाओं के परीक्षण चरण में दिखाई दिया - 200 चक्रों के बाद क्षमता में गिरावट। हमने एक सप्ताह तक इसका कारण खोजा जब तक कि हमने पूरे बैच के अग्रदूत का गहन आईसीपी-एमएस विश्लेषण नहीं किया।

इसलिए निष्कर्ष: उपकरण एक प्रणाली है। आप यहां से सबसे महंगा रिएक्टर खरीद सकते हैंचेंगदू यिझी प्रौद्योगिकी कंपनी, लेकिन यदि आपका स्रोत नमक, पानी, दुकान का माहौल और यहां तक कि मध्यवर्ती उत्पाद की रसद एक एकल, नियंत्रित लूप में नहीं बनाई गई है, तो लगातार गुणवत्ता हासिल नहीं की जाएगी। अक्सर इन प्रक्रियाओं के जंक्शनों पर - संश्लेषण और धुलाई के बीच, सुखाने और कैल्सीनेशन के बीच - गुणवत्ता में मुख्य हानि होती है।

आवश्यकताओं का विकास: एनसीएम 523 से उच्च-निकल यौगिकों तक

पहले, एनसीएम 523 या 622 के प्रभुत्व के दौरान, अग्रदूत के लिए आवश्यकताएँ अधिक उदार थीं। अब, एनसीएम 811, एनसीए, और इससे भी अधिक 90% निकल वाली सामग्री में परिवर्तन के साथ, सब कुछ परिमाण के क्रम में कठिन हो गया है। उच्च-निकल यौगिक अवशिष्ट नमी के प्रति बेहद संवेदनशील होते हैं। यहां तक ​​कि पानी के अंश भी सतह पर प्रतिक्रिया उत्पन्न कर सकते हैं जिससे तैयार बैटरी में गैसें निकल सकती हैं। इसलिए, सुखाना और उसके बाद भंडारण महत्वपूर्ण कदम बन गए हैं।

हमने वैक्यूम सुखाने के तरीकों का चयन करने में बहुत समय बिताया। तापमान बहुत अधिक है - सतह का ऑक्सीकरण शुरू हो जाता है और लिथियम का नुकसान लिथियेशन चरण में होता है। बहुत कम और आप द्वितीयक कण के अंदर नैनोक्रिस्टल के बीच माइक्रोप्रोर्स से अधिशोषित पानी को नहीं निकाल पाएंगे। निकास गैस के ओस बिंदु के नियंत्रण के साथ एक मल्टी-स्टेज मोड शुरू करना आवश्यक था। यह एक ऐसा मामला है जहां प्रौद्योगिकी साधारण कैबिनेट ड्रायर से कहीं आगे बढ़ गई है।

एक अन्य बिंदु आकृति विज्ञान है। उच्च ऊर्जा के लिए न केवल घने गोले की आवश्यकता होती है, बल्कि अक्सर छिद्रपूर्ण या यहां तक ​​कि खोखली संरचनाएं भी होती हैं जो साइकिल चलाने के दौरान वॉल्यूमेट्रिक परिवर्तनों की बेहतर भरपाई करती हैं। ऐसी संरचना को नियंत्रित तरीके से प्राप्त करना अपने आप में एक कला है। यहां, समाधान में योजक और विशेष मिश्रण मोड एक भूमिका निभाते हैं, जो रिएक्टर में कुछ हाइड्रोडायनामिक स्थितियां बनाते हैं। कुछ चीनी प्रयोगशालाएँ शानदार नमूने प्रदर्शित करती हैं, लेकिन 10 घन मीटर के औद्योगिक रिएक्टर में इसे दोहराना पूरी तरह से अलग स्तर की जटिलता का कार्य है।

गुणवत्ता नियंत्रण: भरोसा मत करो, जांच करो

इस उद्योग में, पागल नियंत्रण आदर्श है। अग्रदूत का प्रत्येक बैच न केवल चरण के लिए मानक XRD और आकृति विज्ञान के लिए SEM से गुजरता है। विशिष्ट सतह क्षेत्र के लिए बीईटी, लेजर विवर्तन विश्लेषक के साथ कण आकार का विश्लेषण (और वे न केवल डी50 को देखते हैं, बल्कि संपूर्ण वितरण, विशेष रूप से "पूंछ"), स्टोइकोमेट्री और अशुद्धियों के लिए आईसीपी की आवश्यकता होती है। मुख्य अशुद्धियाँ - लोहा, सोडियम, कैल्शियम, जस्ता - इकाइयों या पीपीएम के दसवें हिस्से के स्तर पर होनी चाहिए।

लेकिन इतना पर्याप्त नहीं है। सबसे अधिक खुलासा करने वाला परीक्षण "सिक्का सेल" प्रकार की परीक्षण कोशिकाओं का उत्पादन है। और उनकी पूरी साइकिलिंग। केवल इलेक्ट्रोकेमिकल परीक्षण ही सभी तकनीकी बारीकियों का वास्तविक प्रभाव दिखाएंगे: डिस्चार्ज दर, समय के साथ क्षमता का नुकसान और प्रतिबाधा। ऐसा हुआ कि अग्रदूत सभी भौतिक और रासायनिक मापदंडों में आदर्श था, लेकिन सेल ने उच्च निर्वहन पर असामान्य रूप से उच्च वोल्टेज ड्रॉप दिखाया। इसका कारण कणों की सतह पर सबसे पतली अनाकार परत हो सकता है, जो एसईएम को दिखाई नहीं देती है। इसका पता केवल उच्च-रिज़ॉल्यूशन टीईएम या एक्सपीएस जैसी विधियों से लगाया जा सकता है, लेकिन यह गहन डीब्रीफिंग के लिए है।

इसलिए, कार्यशाला में इलेक्ट्रोड और कोशिकाओं के उत्पादन के लिए हमेशा एक छोटी पायलट लाइन होती है। यह एक ?विंडो है? उत्पाद के वास्तविक व्यवहार में। ऐसी प्रतिक्रिया के बिना, आप आँख मूँद कर काम करते हैं। आप वर्षों में पाउडर की भुरभुरापन में सुधार कर सकते हैं, लेकिन इससे बैटरी की विशेषताओं पर कोई प्रभाव नहीं पड़ेगा, क्योंकि "अड़चन" एक अलग जगह पर थी।

भविष्य की ओर देख रहे हैं: आगे क्या है?

अब हर कोई उच्च-निकल यौगिकों के बारे में भावुक है, लेकिन नई चुनौतियाँ पहले से ही क्षितिज पर दिखाई दे रही हैं। उदाहरण के लिए, एलएमएफपी (लिथियम मैंगनीज आयरन फॉस्फेट) या उच्च मैंगनीज जैसी कोबाल्ट मुक्त सामग्री। उनके पास पूर्ववर्तियों के संश्लेषण के लिए एक पूरी तरह से अलग रसायन विज्ञान है। यदि एनसीएम के लिए यह हाइड्रॉक्साइड या कार्बोनेट का सह-अवक्षेपण था, तो फॉस्फेट के लिए यह अलग प्रक्रियाएं थीं। या तेजी से लोकप्रिय हो रही सॉलिड-स्टेट बैटरियां - उन्हें ठोस इलेक्ट्रोलाइट के साथ बेहतर संपर्क के लिए विशेष सतह संशोधनों वाले पूर्ववर्तियों की आवश्यकता हो सकती है।

दूसरी दिशा गहन प्रसंस्करण है। पुनर्चक्रण प्रौद्योगिकियाँ जो अलग-अलग लवणों में पृथक्करण के चरण को दरकिनार करते हुए सीधे स्क्रैप बैटरियों से तैयार अग्रदूत प्राप्त करना संभव बनाती हैं। यह अभी भी महंगा और कठिन है, लेकिन ईएसजी आवश्यकताओं का दबाव केवल बढ़ेगा। चीनी कंपनियाँ, जिनमें इंजीनियरिंग केंद्र जैसे शामिल हैंचेंगदू यिझी प्रौद्योगिकी कंपनी, पहले से ही इस दिशा में सक्रिय रूप से अनुसंधान एवं विकास कर रहे हैं। उनके संसाधन परyzkjhx.ruआप पुनर्जनन के लिए पायलट पौधों के बारे में जानकारी पा सकते हैं।

तो, अनौपचारिक रूप से संक्षेप में, मैं कहूंगा: चीन में पूर्ववर्तियों के उत्पादन की तकनीक कोई जमी हुई हठधर्मिता नहीं है। यह एक जीवंत, तेजी से विकसित होने वाली प्रक्रिया है, जहां विशाल कारखानों की बाहरी छाप के पीछे विवरणों पर टाइटैनिक कार्य छिपा होता है। पंप खुराक सटीकता से लेकर इलेक्ट्रोकेमिकल परीक्षण डेटा व्याख्या तक। यहां सफलता सबसे बड़े रिएक्टर से नहीं, बल्कि सभी चरणों में सैकड़ों मापदंडों के बीच संबंधों की समझ की गहराई से निर्धारित होती है। और यह वास्तव में प्रयोगशालाओं और प्रायोगिक तर्ज पर यह "गंदा", सरल काम है जो चीन को इस क्षेत्र में नेतृत्व बनाए रखने की अनुमति देता है, लगातार बार बढ़ाता है।