Les rouleaux en carbure de silicium (SiC) sont largement utilisés dans la production de matériaux cathodiques pour batteries au lithium en raison de leur stabilité à haute température et de leur résistance mécanique.

Cependant, dans différentes conditions de procédé, leur comportement à la corrosion peut varier considérablement.

Cette étude de cas analyse la performance des rouleaux en SiC dans les environnements de production de LFP (LiFePO₄) et de NCM (Nickel Cobalt Manganèse), en se concentrant sur les mécanismes de corrosion, les modes de défaillance et les stratégies d'optimisation.

• Source de lithium : Li₂CO₃
• Atmosphère du four : Faible corrosion, principalement vapeur d'eau
• Température maximale : ~1000°C

Performance observée :

• Dépôt uniforme de surface grise
• Pas de réduction significative de la densité
• Pas de fracture pendant le fonctionnement
• Durée de vie : ~2 ans

Les rouleaux ont maintenu des performances stables dans des conditions relativement douces.

• Source de lithium : LiOH
• Atmosphère : Gaz oxydants + corrosifs
• Zone critique de température : 700–800°C

Problèmes observés :

• Écaillage de surface à grande échelle
• Réduction significative de la densité
• Dégradation de la structure interne
• Durée de vie : ~2 mois
• Défaillance : 2 fractures de rouleaux enregistrées

La corrosion et la défaillance mécanique ont considérablement affecté la stabilité de la production.

L'analyse XRD et XRF a révélé que :

• La phase SiC d'origine a considérablement diminué
• De nouveaux composés se sont formés :
  • Silicates de lithium (Li₂SiO₃, Li₂Si₂O₅)
  • Composés contenant du nickel
  • Oxydes de lithium-manganèse

Cela indique des réactions chimiques intenses altérant la structure du matériau.

L'analyse SEM a montré :

• Augmentation de la porosité
• Augmentation de la taille des pores
• Structure interne relâchée

Changement mesuré :

• Densité diminuée de ≥3.05 g/cm³ → ~2.8 g/cm³

La corrosion a pénétré au-delà de la surface dans le matériau de masse.

Le SiC réagit avec l'oxygène :

SiC + O₂ → SiO₂

• Forme une couche protectrice temporaire
• Peut échouer dans des conditions agressives

À haute température :

• Le LiOH se décompose → espèces de lithium réactives
• Réagit avec le SiO₂ :

SiO₂ + Li₂O → Li₂SiO₃

À 700–800°C:

• Les silicates de lithium ramollissent → forment une phase fondue
• Dissout la couche protectrice de SiO₂

Entraîne une exposition continue et une corrosion accélérée

Le SiC réagit avec les composés de lithium fondus :

SiC + Li₂SiO₃ + O₂ → Li₄SiO₄ + Li₂Si₂O₅ + CO/CO₂

Résulte en une consommation rapide du matériau

• Les silicates de lithium pénètrent le long des joints de grains
• Les phases intergranulaires se dissolvent
• La liaison intergranulaire s'affaiblit

Entraîne :

• Désintégration structurelle
• Réduction de la résistance mécanique
• Fracture du rouleau

Différences clés entre LFP et NCM :

La phase fondue LiOH + haute température est le principal moteur de la corrosion

• Méthode : Projection plasma
• Revêtement : Y₂O₃ / Al₂O₃

Fonction :

• Empêcher le mouillage par sel fondu
• Bloquer la pénétration de gaz
• Retarder la corrosion

Avantages :

• Rentable (~1000 RMB par rouleau)
• Mise en œuvre rapide

Adapté à une amélioration à court terme

• Méthode : Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)
• Résultat : Couche de surface SiC de haute pureté

Avantages :

• Structure dense
• Liaison solide
• Bloque les voies de corrosion

Fournit une stabilité à long terme et une durée de vie plus longue

• Mettre en œuvre des améliorations de revêtement ou de CVD
• Commencer par des essais en petits lots

• Optimiser la vitesse de chauffage dans la plage de 700–800°C
• Réduire la formation de phase fondue

• Tests de densité réguliers
• Inspection de surface
• Remplacer rapidement les rouleaux gravement corrodés

Cette étude démontre que :

• Les rouleaux en SiC fonctionnent bien dans les environnements LFP doux
• Mais subissent une dégradation sévère dans les procédés NCM avec LiOH

La combinaison de :

• Haute température
• Composés de lithium réactifs
• Formation de phase fondue

entraîne une corrosion rapide et une défaillance structurelle.

Pour les applications exigeantes telles que la production NCM :

La conception des matériaux et l'ingénierie de surface sont essentielles
Les solutions SiC améliorées peuvent améliorer considérablement la fiabilité et la durée de vie