Precursores de cátodo

• Os precursores de níquel-cobalto-manganês (NCM) e níquel-cobalto-alumínio (NCA)
  NCM e NCA estão entre os materiais catódicos mais populares da indústria, especialmente para veículos elétricos. Os precursores desses materiais são hidróxidos mistos, denotados como Ni_xCo_yMn_(1-x-y)(OH)₂ para NCM e Ni_xCo_yAl_(1-x-y)(OH)₂ para NCA.
  
  
• Precursor de Óxido de Lítio-Cobalto (LCO)
  O óxido de lítio-cobalto (LiCoO₂) é amplamente usado em equipamentos eletrônicos portáteis. O precursor, óxido de cobalto (Co₃O₄), é processado com carbonato de lítio ou hidróxido de lítio para produzir o material catódico final. 
  
  
• Precursor de Fosfato de Ferro e Lítio (LFP)
  Os cátodos de fosfato de ferro e lítio (LiFePO₄), usados em baterias de VE, são derivados de precursores de fosfato de ferro (FePO₄). 
  
  
• Precursor de Óxido de Lítio-Manganês (LMO)
  O óxido de manganês (Mn₃O₄) serve como precursor do óxido de lítio-manganês (LiMn₂O₄), um material conhecido por sua capacidade de alta taxa e boa estabilidade térmica, frequentemente usado em veículos híbridos e ferramentas elétricas. 
  
  
• Precursores ricos em níquel
  Com o impulso para maiores densidades de energia nas baterias, precursores ricos em níquel estão ganhando destaque. Esses precursores, muitas vezes representados por Ni(OH)₂ com quantidades variáveis de dopantes, são usados para produzir materiais catódicos com alto teor de níquel. 

O método mais comum para sintetizar precursores catódicos é a coprecipitação, onde soluções aquosas dos sais metálicos são misturadas para formar precursores líquidos. Um agente precipitante, como hidróxido de sódio (NaOH) ou hidróxido de amônio (NH₄OH), é adicionado à solução, fazendo com que os metais se precipitem como hidróxidos. 

A coprecipitação é um processo lento, que começa pela nucleação, segue para o crescimento de partículas primárias e, por fim, chega à aglomeração de partículas secundárias maiores. O processo todo pode levar de 20 a 40 horas, dependendo da eficiência do processo. 

A temperatura, o pH, a concentração e a velocidade de agitação da solução são cuidadosamente controlados para garantir o tamanho e a composição uniformes das partículas do precipitado. O produto precipitado é tipicamente um hidróxido de metal misturado ou carbonato, como NixCoyMn_(1-x-y)(OH)₂ para precursores de NCM. Este precursor é então misturado com LiOH e calcinado a 900 ^oC para fazer o material final do cátodo. O processo é mostrado esquematicamente abaixo.

A eficiência da coprecipitação é afetada por muitos parâmetros, incluindo a composição da pasta, o pH, a temperatura e a velocidade de agitação. A otimização desses parâmetros desempenha um papel fundamental na qualidade e produtividades dos materiais precursores de cátodo nas baterias. Para monitorar e controlar esses parâmetros em tempo real, a fim de melhorar a eficiência do processo de coprecipitação, oferecemos uma gama de soluções analíticas. Além disso, nossas soluções também podem ajudar você a garantir que seu material precursor tenha as propriedades desejadas para processamento posterior no material do cátodo ativo.

A qualidade e a produtividade do precursor do cátodo podem ser otimizadas com a medição e o controle dos seguintes parâmetros:

• Tamanho das partículas
• Formato das partículas
• Composição química e impurezas
  
• Análise de fase cristalina
  
• Potencial Zeta
  

Saiba mais sobre cada parâmetro abaixo.

As partículas do precursor fazem nucleação, crescem e, em seguida, se aglomeram para formar partículas secundárias maiores. Para garantir a mais alta eficiência de produção, essas partículas devem superar seu tamanho-alvo no mínimo de tempo possível. Portanto, a medição do tamanho das partículas ao longo do tempo é uma maneira importante de ajustar os parâmetros do processo em um reator fluidizado.

A Difração a laser é uma das melhores maneiras de medir com precisão a distribuição do tamanho das partículas para controle de processos e de qualidade. Confiável por fabricantes de células de bateria e materiais de bateria em todo o mundo, o Mastersizer 3000 tornou-se o real padrão para análise do tamanho das partículas. 

A linha Mastersizer de analisadores de tamanho das partículas por difração a laser define o padrão para fornecer distribuições de tamanho de partículas rápidas e precisas para dispersões úmidas e secas. E ficou ainda melhor com a introdução do NOVO Mastersizer 3000 com funcionalidades avançadas como Size Sure e Data Quality Guidance.

Nosso analisador de tamanho das partículas Insitec automatizado é ideal para a realização dessas medições em um ambiente de produção, fornecendo análise em tempo real em intervalos de poucos segundos. 

Usando um loop de feedbacks, essas informações podem ser usadas para ajustar parâmetros, como pH, temperatura ou velocidade de agitação. 

Além disso, ele também pode garantir a sinergia com fluxos de processo de fabricação inteligente. Isso proporciona altos retornos: normalmente, uma fábrica de produção de cátodos que produz 1000 kg de material de cátodo por dia pode economizar até US$ 200.000 por ano ao analisar o tamanho das partículas da pasta precursora usando o Insitec.

O formato das partículas desempenha um papel importante na formação de partículas secundárias estáveis, podendo influenciar significativamente o rendimento do precursor (densidade compactada), além da qualidade do material do cátodo final. Por exemplo, partículas alongadas são mais propensas a se quebrarem e se dissolverem novamente em uma pasta agitada em alta velocidade.

Para possibilitar que os fabricantes analisem e otimizem o formato das partículas, nossa ferramenta de geração de imagens ópticas Morphologi 4 pode ser usada para medir parâmetros como circularidade, relação alongamento/aspecto, diâmetro equivalente circular (CE) e transparência, com sua análise de imagem totalmente automatizada.

Para alcançar a composição química ideal nos materiais do cátodo final, ela deve ser controlada, primeiro, no nível do precursor. A fluorescência de raios X (XRF, X-ray fluorescence), que pode analisar composição química e impurezas, desde algumas partes por milhão (ppm) até 100%, é a melhor técnica para analisar a composição química.

Especificamente, a XRF oferece uma forma mais simples e mais precisa de medir a composição elementar do que a espectrometria de massa de plasma por acoplamento indutivo (ICP), pois não requer qualquer diluição da amostra ou digestão de ácido. Muitas empresas líderes do mercado de baterias utilizam nossos espectrômetros de bancada Epsilon 4 EDXRF ou Zetium WDXRF para analisar a composição dos materiais do cátodo e do precursor. 

Para completar a linha, conheça o nosso mais novo e moderno sistema EDXRF Revontium. Combinado com nosso conjunto de padrões de referência de bateria e sistemas de fusão Forj/Egon 2, juntamente com nossa experiência, oferecemos uma solução completa que pode combinar ou até mesmo superar a precisão e a eficiência da análise ICP.

As soluções de análise de composição elementar online incluem Epsilon Xflow para precursores líquidos de bateria e Epsilon Xline para análise do revestimento de eletrodos. 

A fase cristalina se refere à estrutura dos materiais em escala atômica, que é a escala na qual o transporte iônico ou eletrônico acontece ou é prejudicado. A composição da fase cristalina do precursor pode fornecer uma indicação antecipada da qualidade do material do cátodo final. 

Para analisar com precisão a composição da fase cristalina de materiais precursores do cátodo, os fabricantes podem usar nosso difratômetro de raios X compacto Aeris, um instrumento fácil de usar com incrível qualidade de dados.

A solução de precipitação de partículas do precursor do cátodo utiliza a interação de partículas primárias (de 50 nm a 100 nm) para formar partículas secundárias maiores (de 10 µm a 20 µm). O potencial zeta pode ser usado para a análise e o ajuste dos valores de pH e temperatura de forma a otimizar essas interações. 

Nosso Zetasizer mede com precisão o potencial Zeta, podendo, também, complementar sua pesquisa e seu desenvolvimento sobre a síntese do precursor.