Durch „Verbrennung“ können Kathoden für Lithium entstehen

Oct 19, 2023

15. März 2023 von Nancy Stauffer

Bei brennenden Dingen entsteht Ruß. Und dieser Ruß enthält Materialien, die in etwas anderes umgewandelt wurden. AlsNancy Stauffer am MITerklärt, neue Untersuchungen dort haben gezeigt, dass der Brennvorgang genutzt werden kannKathoden können wesentlich günstiger, schneller, einfacher und mit weniger Energie hergestellt werden als mit der Standardmethode . Es ist ein weiteres Beispiel für Innovationen aus einer unerwarteten RichtungSenkung der Kosten für einen wesentlichen Bestandteil der Energiewende: Batterien . Tests zeigen, dass die resultierenden Lithium-Ionen-Batterienfunktionieren genauso gut wie die, die heute in Elektrofahrzeugen verwendet werden , was eine vergleichbare Reichweite, Lade- und Entladerate und Lebensdauer bietet. Die wesentlichen Schritte des neuen Prozesses sindEs wird bereits anderswo in der Industrie eingesetzt, sodass die Forscher davon ausgehen, dass eine schnelle Kommerzialisierung und Ausweitung möglich sein sollte.

Mit Verbrennung bessere Batterien herstellen . Ein MIT-Team arbeitet daran, die Verbrennung zu nutzen, um wertvolle Materialien zu gewinnen, darunter einige, die für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien von entscheidender Bedeutung sind.Von Nancy Stauffer,MIT News.

Seit mehr als einem Jahrhundert werden große Teile der Welt mit der Verbrennung fossiler Brennstoffe betrieben. Um die Gefahr des Klimawandels abzuwenden, verändert sich nun das Energiesystem. Insbesondere ersetzen Solar- und Windkraftanlagen die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Strom- und Wärmeerzeugung und Batterien ersetzen den Verbrennungsmotor zum Antrieb von Fahrzeugen. Während die Energiewende voranschreitet, beschäftigen sich Forscher weltweit mit den zahlreichen Herausforderungen, die sich daraus ergeben.

Sili Deng hat ihre Karriere damit verbracht, über Verbrennung nachzudenken. Heute ist Deng Assistenzprofessor am Fachbereich Maschinenbau und Professor für Karriereentwicklung im Jahr 1954. Er leitet eine MIT-Gruppe, die unter anderem theoretische Modelle entwickelt, um Verbrennungssysteme zu verstehen und zu steuern, um sie effizienter zu machen und die Formation zu kontrollieren von Emissionen, einschließlich Rußpartikeln.

„Also dachten wir angesichts unseres Hintergrunds in der Verbrennung, wie können wir am besten zur Energiewende beitragen?“ sagt Deng. Bei der Betrachtung der Möglichkeiten stellt sie fest, dass sich die Verbrennung nur auf den Prozess bezieht – nicht auf das, was brennt. „Während wir bei Verbrennung im Allgemeinen an fossile Brennstoffe denken, umfasst der Begriff ‚Verbrennung‘ viele chemische Hochtemperaturreaktionen, an denen Sauerstoff beteiligt ist und die typischerweise Licht und große Mengen Wärme abgeben“, sagt sie.

Angesichts dieser Definition sah sie eine andere Rolle für das Fachwissen, das sie und ihr Team entwickelt haben: Sie könnten esErforschen Sie die Nutzung der Verbrennung zur Herstellung von Materialien für die Energiewende . Unter sorgfältig kontrollierten BedingungenMit verbrennenden Flammen kann kein umweltschädlicher Ruß, sondern wertvolle Materialien erzeugt werden, darunter einige, die für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien von entscheidender Bedeutung sind.

Die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien wird in den kommenden Jahrzehnten voraussichtlich sprunghaft ansteigen. Batterien werden benötigt, um die wachsende Flotte von Elektroautos anzutreiben und den von Solar- und Windkraftanlagen erzeugten Strom zu speichern, damit er später geliefert werden kann, wenn diese Quellen keinen Strom erzeugen. Das prognostizieren einige ExpertenDie weltweite Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien könnte sich im nächsten Jahrzehnt verzehnfachen oder mehr.

Angesichts dieser Prognosen suchen viele Forscher nach Möglichkeiten, die Lithium-Ionen-Batterietechnologie zu verbessern. Deng und ihre Gruppe sind keine Materialwissenschaftler, daher konzentrieren sie sich nicht auf die Entwicklung neuer und besserer Batteriechemien. Stattdessen besteht ihr Ziel darin, einen Weg zu finden, die hohen Kosten für die Herstellung all dieser Batterien zu senken. UndEin Großteil der Kosten für die Herstellung einer Lithium-Ionen-Batterie lässt sich auf die Herstellung der Materialien zurückführen, die für die Herstellung einer ihrer beiden Elektroden – der Kathode – verwendet werden.

Die MIT-Forscher begannen ihre Suche nach Kosteneinsparungen mit der Betrachtung der Methoden, die heute zur Herstellung von Kathodenmaterialien verwendet werden. Bei den Rohstoffen handelt es sich typischerweise um Salze mehrerer Metalle, darunter Lithium, das Ionen liefert – die elektrisch geladenen Teilchen, die sich bewegen, wenn die Batterie geladen und entladen wird. Die Verarbeitungstechnologie zielt darauf ab, winzige Partikel zu erzeugen, die jeweils aus einer Mischung dieser Bestandteile bestehen und deren Atome in der spezifischen Kristallstruktur angeordnet sind, die in der fertigen Batterie die beste Leistung erbringt.

In den letzten Jahrzehnten haben Unternehmen diese Kathodenmaterialien mithilfe eines zweistufigen Prozesses namens Kopräzipitation hergestellt . Im ersten Schritt werden die Metallsalze – mit Ausnahme des Lithiums – in Wasser gelöst und in einem chemischen Reaktor gründlich vermischt. Um den Säuregehalt (den pH-Wert) der Mischung zu verändern, werden Chemikalien hinzugefügt, und aus den kombinierten Salzen bestehende Partikel fallen aus der Lösung aus. Anschließend werden die Partikel entnommen, getrocknet, gemahlen und durch ein Sieb gegeben.

Eine pH-Änderung führt nicht zur Ausfällung von Lithium, daher wird es in der zweiten Stufe zugegeben. Festes Lithium wird zusammen mit den Partikeln aus der ersten Stufe gemahlen, bis Lithiumatome die Partikel durchdringen. Das resultierende Material wird dann erhitzt oder „getempert“, um eine vollständige Durchmischung zu gewährleisten und die angestrebte Kristallstruktur zu erreichen. Abschließend durchlaufen die Partikel einen „Deagglomerator“, der alle zusammengefügten Partikel trennt, und es entsteht das Kathodenmaterial.

Durch Kopräzipitation werden die benötigten Materialien hergestellt, der Prozess ist jedoch zeitaufwändig.Die erste Stufe dauert etwa 10 Stunden, die zweite Stufe etwa 13 Stunden des Glühens bei relativ niedriger Temperatur (750°C). Um außerdem eine Rissbildung während des Glühens zu verhindern, wird die Temperatur stufenweise „angehoben“ und abgesenktdauert noch einmal 11 Stunden . Der Prozess ist daher nicht nur zeitaufwändig, sondern auchenergieintensiv und kostspielig.

In den letzten zwei Jahren haben Deng und ihre Gruppe nach besseren Möglichkeiten zur Herstellung des Kathodenmaterials gesucht. "Durch die Verbrennung werden Dinge sehr effektiv oxidiert, und die Materialien für Lithium-Ionen-Batterien sind im Allgemeinen Mischungen von Metalloxiden„, sagt Deng. Da dies der Fall war, dachten sie, dass dies eine Gelegenheit dazu sein könnteVerwenden Sie einen auf Verbrennung basierenden Prozess namens Flammensynthese.

Die erste Aufgabe für Deng und ihr Team – Maschinenbau-Postdoc Jianan Zhang, Valerie L. Muldoon SB '20, SM '22 und die aktuellen Doktoranden Maanasa Bhat und Chuwei Zhang – bestand darin, ein Zielmaterial für ihre Studie auszuwählen. Sie beschlossen, es zu tunDer Schwerpunkt liegt auf einer Mischung aus Metalloxiden bestehend aus Nickel, Kobalt und Mangan sowie Lithium . Bekannt als "NCM811„Dieses Material istweit verbreitet und eignet sich nachweislich zur Herstellung von Kathoden für Batterien mit hoher Leistung ; Bei einem Elektrofahrzeug bedeutet das eine große Reichweite, schnelles Entladen und Aufladen sowie eine lange Lebensdauer. Um ihr Ziel besser zu definieren, untersuchten die Forscher die Literatur, um die Zusammensetzung und Kristallstruktur von NCM811 zu bestimmen, das nachweislich die beste Leistung als Kathodenmaterial liefert.

Anschließend erwogen sie drei mögliche Ansätze zur Verbesserung des Kopräzipitationsprozesses zur Synthese von NCM811: Sie könntenVereinfachen Sie das System (um die Kapitalkosten zu senken), beschleunigen Sie den Prozess oder senken Sie den Energiebedarf.

„Unser erster Gedanke war: Was wäre, wenn wir alle Substanzen – einschließlich des Lithiums – gleich zu Beginn miteinander vermischen könnten?“ sagt Deng. „Dann bräuchten wir die beiden Stufen nicht“ – eine klare Vereinfachung gegenüber der Kopräzipitation.

Ein in der chemischen und anderen Industrie weit verbreitetes Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln ist eine sogenannte FlammensyntheseFlammenunterstützte Sprühpyrolyse oder FASP . Dengs Konzept zur Verwendung von FASP zur Herstellung seiner gezielten Kathodenpulver ist im folgenden Schema dargestellt.

Synthese von Kathodenmaterialien mittels flammenunterstützter Sprühpyrolyse (FASP). Von links: In der Anlage der Forscher werden Lithium-, Kobalt-, Nickel- und Mangansalze mit Wasser vermischt und als feine Tröpfchen in eine Brennkammer gesprüht. In dieser Kammer erhitzt eine Flamme aus brennendem Methan die Salze, wodurch sie sich zersetzen und chemisch reagieren – ein Prozess, der Pyrolyse genannt wird. Das Wasser verdunstet und die zurückbleibenden Feststoffpartikel werden im Zyklon und im Schlauchfilter nach Größe sortiert und gefiltert, um das Kathodenpulver herzustellen. Die Pulver könnten dann dem Standard-Glühprozess unterzogen werden, aber die Forscher haben einen schnelleren und energieeffizienteren Weg gefunden, diesen letzten Schritt durchzuführen.

Links werden die Vorläufermaterialien – die Metallsalze (einschließlich Lithium) – mit Wasser vermischt und die resultierende Lösung von einem Zerstäuber als feine Tröpfchen in eine Brennkammer gesprüht. Dort erhitzt eine Flamme aus brennendem Methan das Gemisch. Das Wasser verdunstet und die Vorläufermaterialien zersetzen sich, oxidieren und verfestigen sich zum Pulverprodukt. Der Zyklon trennt Partikel unterschiedlicher Größe und der Schlauchfilter filtert diejenigen heraus, die nicht nützlich sind. Die gesammelten Partikel würden dann getempert und desagglomeriert.

Um dieses Konzept zu untersuchen und zu optimieren, entwickelten die Forscher einen FASP-Aufbau im Labormaßstab, der aus einem selbstgebauten Ultraschallvernebler, einem Vorheizabschnitt, einem Brenner, einem Filter und einer Vakuumpumpe besteht, die die gebildeten Pulver absaugt. Mit diesem System könnten sie die Details des Erhitzungsprozesses steuern: Der Vorwärmabschnitt reproduziert die Bedingungen, wenn das Material zum ersten Mal in die Brennkammer eintritt, und der Brenner reproduziert die Bedingungen, wenn es die Flamme passiert. Dieser Aufbau ermöglichte es dem Team, Betriebsbedingungen zu erkunden, die die besten Ergebnisse liefern würden.

Ihre Experimente zeigtendeutliche Vorteile gegenüber der Kopräzipitation . Der Zerstäuber zerteilt die flüssige Lösung in feine Tröpfchen und sorgt so für eine Vermischung auf atomarer Ebene. Das Wasser verdunstet einfach, sodass weder der pH-Wert geändert noch die Feststoffe von der Flüssigkeit getrennt werden müssen. Wie Deng anmerkt: „Man lässt einfach das Gas los und es bleiben die Partikel übrig, die man haben möchte.“ Da Lithium von Anfang an enthalten ist, besteht keine Notwendigkeit, Feststoffe mit Feststoffen zu vermischen, was weder effizient noch effektiv ist.

Der Postdoktorand Jianan Zhang erhitzt und komprimiert Pulver, die im FASP-Laboraufbau hergestellt wurden, bevor er eine Zelle für Leistungstests herstellt / BILDNACHWEIS: Gretchen Ertl

Sie könnten sogarSteuern Sie die Struktur oder „Morphologie“ der gebildeten Partikel . In einer Versuchsreihe versuchten sie, den einströmenden Sprühnebel im Laufe der Zeit unterschiedlichen Temperaturänderungen auszusetzen. Sie fanden heraus, dass der Temperaturverlauf einen direkten Einfluss auf die Morphologie hat. Ohne Vorwärmen zerplatzen die Partikel; und bei schnellem Vorheizen waren die Partikel hohl. DerDie besten Ergebnisse wurden bei Temperaturen zwischen 175 °C und 225 °C erzielt . Experimente mit Knopfzellenbatterien (Laborgeräte zum Testen von Batteriematerialien) bestätigten, dass sie durch Anpassung der Vorheiztemperatur eine Partikelmorphologie erreichen konnten, die die Leistung ihrer Materialien optimieren würde.

Das Beste daran: Die Partikel bildeten sich innerhalb von Sekunden . Geht man von der Zeit aus, die für das konventionelle Glühen und Desagglomerieren benötigt wird, könnte der neue Aufbau das fertige Kathodenmaterial in der Hälfte der Gesamtzeit synthetisieren, die für die Kopräzipitation benötigt wird. Darüber hinaus,Die erste Stufe des Kopräzipitationssystems wird durch einen weitaus einfacheren Aufbau ersetzt – eine Einsparung von Kapitalkosten.

„Wir waren sehr zufrieden“, sagt Deng. „Aber dann dachten wir: Wenn wir die Vorläuferseite geändert haben, damit sich das Lithium gut mit den Salzen vermischt, brauchen wir dann den gleichen Prozess für die zweite Stufe? Vielleicht auch nicht!“

Ein Behälter mit Knopfzellenbatterien, bereit zum Testen/ CREDIT: Gretchen Ertl

Der entscheidende zeit- und energieaufwändige Schritt im zweiten Schritt ist das Glühen. Beim heutigen Kopräzipitationsprozess besteht die Strategie darin, über einen langen Zeitraum bei niedriger Temperatur zu glühen, um dem Bediener Zeit zu geben, den Prozess zu manipulieren und zu steuern. Doch der etwa 20-stündige Betrieb eines Ofens – selbst bei niedriger Temperatur – verbraucht viel Energie.

Basierend auf ihren bisherigen Studien dachte Deng: „Was wäre, wenn wir die Temperatur leicht erhöhen, aber die Glühzeit um Größenordnungen verkürzen? Dann könnten wir den Energieverbrauch senken und trotzdem die gewünschte Kristallstruktur erreichen.“

Erhöhung der Temperatur und Verkürzung der Glühdauer. Erste Experimente, bei denen die so synthetisierten Pulver bei leicht erhöhten Temperaturen und kurzen Behandlungszeiten behandelt wurden, führten zu den Partikeln, die im Bild des Transmissionselektronenmikroskops (TEM) links gezeigt sind. Die leichten nanoskaligen Partikel, die in Wolken auf ihren Oberflächen erscheinen, sind Lithium, was darauf hindeutet, dass viel mehr Zeit benötigt wird, um das Lithium einzumischen. Die Durchführung der gleichen Experimente nach Zugabe einer kleinen Menge einer kostengünstigen Verbindung namens Harnstoff erzeugte die Partikel im TEM Das Bild rechts zeigt einige anhaftende Lithium-Nanopartikel.

Allerdings brachten Versuche bei leicht erhöhten Temperaturen und kurzen Behandlungszeiten nicht die erhofften Ergebnisse. Wie das linke Bild des Transmissionselektronenmikroskops (TEM) oben zeigt, waren an den Oberflächen der gebildeten Partikel Wolken aus leicht aussehenden nanoskaligen Partikeln angebracht. Als sie die gleichen Experimente ohne Zugabe von Lithium durchführten, traten diese Nanopartikel nicht auf. Basierend auf diesem und anderen Tests kamen sie zu dem Schluss, dass es sich bei den Nanopartikeln um reines Lithium handelte. Es schien also, als wäre ein langes Glühen erforderlich, um sicherzustellen, dass das Lithium in die Partikel gelangt.

Aber sie dannhat eine andere Lösung für das Lithiumverteilungsproblem gefunden . Sie fügten ihrer Mischung eine kleine Menge – nur 1 Gewichtsprozent – ​​einer kostengünstigen Verbindung namens Harnstoff hinzu. Wie das rechte TEM-Bild oben zeigt,die „unerwünschten Nanopartikel waren dann weitgehend verschwunden“,sagt Deng.

Experimente in den Laborknopfzellen zeigten, dass die Zugabe von Harnstoff die Reaktion auf Änderungen der Glühtemperatur deutlich veränderte. Wenn der Harnstoff fehlte, führte eine Erhöhung der Glühtemperatur zu einem dramatischen Leistungsabfall des gebildeten Kathodenmaterials. AberDa der Harnstoff vorhanden war, wurde die Leistung des gebildeten Materials durch Temperaturänderungen nicht beeinträchtigt.

Anhand einer Probe ihrer Pulver baut der Doktorand Chuwei Zhang (links) eine Knopfzellenbatterie für Leistungstests zusammen, während Assistenzprofessor Sili Deng zusieht. Das Arbeiten in einem „Handschuhfach“ ist von entscheidender Bedeutung, da der Elektrolyt brennbar ist und die Elektroden an der Luft zerfallen können / BILDNACHWEIS: Gretchen Ertl

Dieses Ergebnis bedeutete, dass sie dies konnten – solange der Harnstoff zusammen mit den anderen Vorläufern hinzugefügt wurdeErhöhen Sie die Temperatur, verkürzen Sie die Glühzeit und lassen Sie den allmählichen Hochlauf- und Abkühlprozess weg . Weitere bildgebende Untersuchungen bestätigten ihren Ansatzergibt die gewünschte Kristallstruktur und die homogene Elementverteilung von Kobalt, Nickel, Mangan und Lithium innerhalb der Partikel . Darüber hinaus wurden in Tests verschiedener LeistungskennzahlenIhre Materialien taten es ebenso wie Materialien, die durch Kopräzipitation hergestellt wurden oder durch andere Methoden mit Langzeitwärmebehandlung. Tatsächlich, dieDie Leistung war vergleichbar mit der von kommerziellen Batterien mit Kathoden aus NCM811.

Somit könnte nun die lange und teure zweite Stufe, die bei der Standard-Kopräzipitation erforderlich ist, durch ersetzt werdenNur 20 Minuten Glühen bei etwa 870 °C plus 20 Minuten Abkühlen bei Raumtemperatur.

Das Team diskutiert Ergebnisse von Leistungstests von Knopfzellenbatterien, die unter Verwendung von Pulvern hergestellt wurden, die in der FASP-Apparatur im Labormaßstab unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen synthetisiert wurden. Während des Tests werden die Batterien in eine Reihe von Klemmen gelegt und für jede einzelne werden auf dem Computermonitor unten rechts Messungen des fließenden Stroms und der verbleibenden Kapazität über die Zeit angezeigt. / CREDIT: Gretchen Ertl

Während experimentelle Beweise ihren Ansatz stützen, sind Deng und ihre Gruppe jetzt dabeiIch arbeite daran zu verstehen, warum es funktioniert . „Wenn wir die zugrunde liegende Physik richtig hinbekommen, können wir den Prozess so gestalten, dass wir die Morphologie steuern und den Prozess vergrößern können“, sagt Deng.

Die folgende Abbildung stellt ihre Hypothese dar, warum die Lithium-Nanopartikel bei ihrem Flammensyntheseprozess auf den Oberflächen der größeren Partikel landen – und warum die Anwesenheit von Harnstoff dieses Problem löst.

Das Schicksal des Lithiums ohne und mit dem Harnstoffzusatz: ein vorgeschlagener Mechanismus. Die Forscher vermuten, dass ohne den vorhandenen Harnstoff – die obere Reihe der Zeichnungen – alle Metallsalze im Tröpfchen zunächst gut vermischt sind; aber mit der Zeit diffundiert das Lithium an die Oberfläche. Das Lithium landet in Nanopartikeln, die an den erstarrten Partikeln haften, und es ist eine lange Wärmebehandlung erforderlich, damit sich das Lithium einmischen kann. Wenn der Harnstoff vorhanden ist – die untere Reihe der Zeichnungen – führt die steigende Temperatur dazu, dass der Harnstoff Blasen bildet. Die Blasen platzen, wodurch die Zirkulation erhöht wird, wodurch verhindert wird, dass das Lithium an die Oberfläche diffundiert. Das Lithium wird gleichmäßig verteilt, sodass die abschließende Wärmebehandlung sehr kurz sein kann.

Die obere Zeichnungsserie zeigt einen Tropfen aus Lithium und den anderen Metallsalzen, ohne dass Harnstoff vorhanden ist. In der Skizze links sind die Metall- und Lithiumatome gut vermischt. Wenn man sich nach rechts bewegt, steigen die Lithium-Nanopartikel zur Oberfläche; dann erscheinen sie in einer Oberflächenbeschichtung; und nachdem das Tröpfchen durch die Flamme erhitzt wurde und zu einem Feststoff wird, enden sie als Nanopartikel, die lose an der Partikeloberfläche haften. Die Theorie der Forscher? Während sich die Tröpfchen entwickeln, bleiben die Atome der verschiedenen Metalle vermischt, aber das Lithium diffundiert schnell an die Oberfläche und verbleibt dort, während sich die Partikel verfestigen. Daher ist ein langer Glühprozess erforderlich, um das Lithium zwischen den anderen Atomen zu bewegen.

Mit dem vorhandenen Harnstoff vermischt sich das Lithium. Warum? Die unterste Skizzenreihe zeigt ihre Theorie. Wie die erste Skizze zeigt, vermischen sich sowohl Harnstoff als auch Lithium mit den anderen Atomen. Wenn der Harnstoff erhitzt wird, zersetzt er sich und bildet Blasen, die platzen. Dieses Knallen fördert die Durchmischung innerhalb des Tropfens Das Lithium steigt also nicht an die Oberfläche, sondern bleibt mit den übrigen Atomen vermischt. Da das Lithium bereits weitgehend durchmischt ist, kann die anschließende Glühzeit sehr kurz sein.

Die Forscher entwerfen nun ein System, um ein Tröpfchen ihrer Mischung aufzuhängen, damit sie die Zirkulation darin beobachten können, mit und ohne vorhandenen Harnstoff. Sie entwickeln auch Experimente, um zu untersuchen, wie Tröpfchen verdampfen, und nutzen dabei Werkzeuge und Methoden, mit denen sie in der Vergangenheit untersucht haben, wie Kohlenwasserstoffe in Verbrennungsmotoren verdampfen.

Entwurf eines integrierten Systems zur Herstellung von Kathodenmaterialien. Das zuvor dargestellte FASP-System erzeugt Partikel in 20 Minuten oder weniger. Bei dieser Geschwindigkeit können sie kontinuierlich aus der Sackkammer auf ein Band abgelegt werden, das sie nur 10 bis 20 Minuten lang durch einen Ofen transportiert, wie in diesem Diagramm oben gezeigt. Um anhaftende Partikel aufzubrechen, ist weiterhin ein Desagglomerator erforderlich. Die Kathodenpulver für Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien könnten so mit beispielloser Geschwindigkeit, geringen Kosten und geringem Energieverbrauch hergestellt werden. Die Komponenten des kompletten FASP-basierten Systems werden bereits in der Industrie eingesetzt, sodass die Forscher davon ausgehen, dass eine schnelle Kommerzialisierung und Skalierung möglich sein sollte.

Sie haben auch Ideen, wie sie ihren Prozess rationalisieren und skalieren können. Ein Konzept ist oben dargestellt. Ihr neuartiger FASP-Prozess erzeugt Partikel in 20 Minuten oder weniger – eine Geschwindigkeit, die mit einer kontinuierlichen Verarbeitung vereinbar ist. Bei der Kopräzipitation dauert die erste Stufe 10 bis 20 Stunden, sodass jeweils eine Charge zur zweiten Stufe zum Tempern übergeht.Bei FASP werden die aus der Filterkammer kommenden Partikel auf einem Band abgelagert, das sie 10 bis 20 Minuten lang durch einen Ofen transportiert , wie in der Abbildung gezeigt. Ein Desagglomerator alsobricht alle anhaftenden Partikel auseinander und das Kathodenpulver tritt aus, bereit für die Verarbeitung zu einer Hochleistungskathode für eine Lithium-Ionen-Batterie.

Deng bemerkt dasJede Komponente ihres „integrierten Synthesesystems“ wird bereits in der Industrie eingesetzt, im Allgemeinen in großem Maßstab und mit hoher Durchflussrate . „Deshalb sehen wir großes Potenzial für die Kommerzialisierung und Skalierung unserer Technologie“, sagt sie. „Unser Fachwissen kommt ins Spiel, wenn es darum geht, die Brennkammer so zu gestalten, dass die Temperatur und die Heizrate so gesteuert werden, dass Partikel mit der gewünschten Morphologie erzeugt werden.“ Und obwohl eine detaillierte Wirtschaftsanalyse noch aussteht, scheint dies klar zu seinIhre Technik wird schneller, die Ausrüstung einfacher und der Energieverbrauch geringer seinals andere Methoden zur Herstellung von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien – möglicherweise ein wichtiger Beitrag zur laufenden Energiewende.

Die Doktorandin Maanasa Bhat hat ein Gerät entwickelt, mit dem sie die Zirkulation innerhalb eines einzelnen Tröpfchens beim Verdampfen beobachten kann. Die Entwicklung eines grundlegenden Verständnisses der Physik, die den Syntheseprozess steuert, ist entscheidend für den erfolgreichen Entwurf und Betrieb eines vollständigen kommerziellen Systems / CREDIT: Gretchen Ertl

Diese Forschung wurde vom MIT Department of Mechanical Engineering unterstützt. Weitere Informationen finden Sie bei: Zhang, VL Muldoon und S. Deng. „Beschleunigte Synthese von Li(Ni0,8Co0,1Mn0,1)O2-Kathodenmaterialien mittels flammenunterstützter Sprühpyrolyse und Additiven.“ Journal of Power Sources, 2. März 2022. Online: doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231244.

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Nancy Staufferist Autor/Herausgeber beiMIT-Energieinitiative

Nachdruck mit Genehmigung vonMIT News

Abgelegt unter: Energie, Innovationen, Speicherung. Markiert mit: Batterien, Kathoden, Verbrennung, Kommerzialisierung, Elektrofahrzeuge, Industrie, Innovation, Lithium, Speicherung