Карбид кремния (SiC) широко используется в производстве катодных материалов для литиевых батарей благодаря своей высокой термостойкости и механической прочности.

Однако при различных условиях процесса его коррозионное поведение может значительно различаться.

В данном исследовании анализируется работа роликов из SiC в производственных средах LFP (LiFePO₄) и NCM (никель-кобальт-марганец) , с акцентом на механизмы коррозии, виды отказов и стратегии оптимизации.

Сравнение условий эксплуатации

Производственная среда LFP

• Источник лития: Li₂CO₃
• Атмосфера печи: Низкая коррозия, в основном водяной пар
• Максимальная температура: ~1000°C

Наблюдаемая производительность:

• Равномерное серое отложение на поверхности
• Значительного снижения плотности не наблюдалось
• Отсутствие трещин во время эксплуатации
• Срок службы: ~2 года

Ролики сохраняли стабильную производительность в относительно мягких условиях.

Производственная среда NCM

• Источник лития: LiOH
• Атмосфера: Окислительные + коррозионные газы
• Температурно-критическая зона: 700–800°C

Наблюдаемые проблемы:

• Масштабное отслаивание поверхности
• Значительное снижение плотности
• Деградация внутренней структуры
• Срок службы: ~2 месяца
• Отказ: Зафиксировано 2 случая разрушения роликов

Коррозия и механические отказы значительно повлияли на стабильность производства.

Анализ механизма коррозии

1. Поведение поверхностной реакции

Анализ XRD и XRF показал, что:

• Исходная фаза SiC значительно уменьшилась
• Образовались новые соединения:
  • Силикаты лития (Li₂SiO₃, Li₂Si₂O₅)
  • Соединения, содержащие никель
  • Оксиды лития-марганца

Это указывает на интенсивные химические реакции, изменяющие структуру материала.

2. Деградация микроструктуры

Анализ SEM показал:

• Увеличение пористости
• Увеличение размера пор
• Ослабление внутренней структуры

Измеренное изменение:

• Плотность снизилась с ≥3.05 г/см³ → ~2.8 г/см³

 Коррозия проникла за пределы поверхности в основной материал.

3. Ключевые реакции коррозии

(1) Термическое окисление

SiC реагирует с кислородом:

• Образует временный защитный слой
• Может разрушаться в агрессивных условиях

(2) Химическая реакция с соединениями лития

При высокой температуре:

• LiOH разлагается → реакционноспособные частицы лития
• Реагирует с SiO₂:

При 700–800°C:

• Силикаты лития размягчаются → образуют расплавленную фазу
• Растворяют защитный слой SiO₂

Приводит к постоянному воздействию и ускоренной коррозии

(3) Коррозия расплавленными солями

SiC реагирует с расплавленными соединениями лития:

Приводит к быстрому потреблению материала

4. Механизм отказа

• Силикаты лития проникают по границам зерен
• Фазы на границах зерен растворяются
• Связь между зернами ослабевает

Приводит к:

• Разрушению структуры
• Снижению механической прочности
• Разрушению ролика

Почему условия NCM более агрессивны

Ключевые различия между LFP и NCM:

LiOH + высокотемпературная расплавленная фаза являются основной причиной коррозии

Стратегии улучшения

1. Оптимизация поверхностного покрытия

• Метод: Плазменное напыление
• Покрытие: Y₂O₃ / Al₂O₃

Функция:

• Предотвращение смачивания расплавленной солью
• Блокирование проникновения газа
• Замедление коррозии

Преимущества:

• Экономичность (~1000 юаней за ролик)
• Быстрое внедрение

Подходит для краткосрочного улучшения

2. Модернизация материала (покрытие CVD SiC)

• Метод: Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)
• Результат: Поверхностный слой SiC высокой чистоты

Преимущества:

• Плотная структура
• Прочное сцепление
• Блокирует пути коррозии

Обеспечивает долгосрочную стабильность и более длительный срок службы

Инженерные рекомендации

1. Приоритет оптимизации процесса NCM

• Внедрить покрытия или модернизацию CVD
• Начать с мелкосерийных испытаний

2. Контроль критической температурной зоны

• Оптимизировать скорость нагрева в диапазоне 700–800°C
• Уменьшить образование расплавленной фазы

3. Мониторинг и техническое обслуживание

• Регулярное тестирование плотности
• Осмотр поверхности
• Ранняя замена сильно корродированных роликов

Заключение

Данное исследование демонстрирует, что:

• Ролики из SiC хорошо работают в мягких условиях LFP
• Но подвергаются сильной деградации в процессах NCM с использованием LiOH

 Комбинация:

• Высокая температура
• Реакционноспособные соединения лития
• Образование расплавленной фазы

приводит к быстрой коррозии и структурному разрушению.

Ключевой вывод

Для требовательных применений, таких как производство NCM:

Проектирование материалов и поверхностная инженерия имеют решающее значение
Модернизированные решения на основе SiC могут значительно повысить надежность и срок службы