Механизм коррозии SiC слоем за слоем в литийных средах

Карбид кремния (SiC)широко используется в высокотемпературных промышленных системах из-за его:

• отличная тепловая устойчивость,
• высокая механическая прочность,
• и коррозионная стойкость.

В производстве литиевых аккумуляторов, особенно в высокотемпературных системах печи,Беснагнетательный синтерный SiC-роллершироко применяются для транспортировки катодных материалов с помощью непрерывных процессов обжига.

Однако в атмосфере, содержащей литий, особенно в производственных средах NCM, кремний может подвергаться сильной коррозии и деградации конструкции.

В этой статье объясняется механизм коррозии SiC слоем за слоем в среде лития и как коррозия развивается от поверхностной реакции до сбоя сыпучей.

Типичные условия печи, связанной с литием, включают:

• Температура: 700-800°C
• Атмосфера: окислительные + литийсодержащие виды
• Источник лития:
  • LiOH
  • Продукты разложения Li2CO3

В этих условиях соединения лития становятся очень реактивными и напрямую влияют на стабильность SiC.

Сопутствующее чтение:

• Анализ коррозии SiC-роллеров при производстве LFP и NCM-катодов

Процесс коррозии можно понять как прогрессирующую трехслойную структуру, развивающуюся от поверхности к сыпущему материалу.

При повышенной температуре SiC сначала реагирует с кислородом:

$SЯВ+О2\to SЯО2+ВО2$

Это образует тонкий слой SiO2 на поверхности.

• Пленка для защиты от тонкого оксида
• Первоначально замедляет дальнейшее окисление
• Временно изолирует SiC субстрат от окружающей среды

При нормальной окислительной атмосфере этот слой может обеспечить частичную защиту.

Однако литийные среды кардинально меняют ситуацию.

Когда присутствуют литийсодержащие виды, защитный слой SiO2 становится химически нестабильным.

Соединения лития реагируют с SiO2:

$SЯО2+ЛЯ2О\to ЛЯ2SЯО3$

При температуре около 700-800°C:

• силикаты лития смягчают,
• начинают формироваться расплавленные фазы,
• и защитный слой оксида растворяется.

• Защитный барьер SiO2 исчезнет
• Свежая SiC поверхность постоянно подвергается воздействию
• Фронт коррозии движется внутрь

Эта промежуточная зона реакции является критической областью отказа в литийных коррозионных системах.

Сопутствующая инженерная тема:

• “Почему тепловой шок часто неправильно диагностируется при сбоях компонентов СиС?"
• “Тепловое напряжение, вызванное градиентом, в компонентах карбида кремния (SiC)"

Как только защитный слой выйдет из строя:

• расплавленные соединения лития проникают глубже,
• границы зерна становятся уязвимыми,
• и внутренние химические реакции ускоряются.

Наблюдаемые эффекты включают:

• повышенная пористость,
• ослабление границы зерна,
• уменьшение плотности,
• внутреннее структурное ослабление.

Типичное измерение разложения плотности:

• от ≥ 3,05 г/см3
• примерно 2,8 г/см3 после сильного воздействия коррозии.

Это объясняет, почему коррозия - это не просто поверхностное явление.

Процесс деградации происходит постепенно:

Образование первоначального слоя SiO2.

↓

Защитный слой становится химически нестабильным.

↓

Расплавленные фазы диффузны внутрь.

↓

Внутренняя связь ухудшается.

↓

Происходят трещины, расщепления и переломы ролика.

Главная причина:

Растворенная фаза силиката лития непрерывно удаляет защитный оксидный барьер.

В отличие от обычной окисления:

• система никогда не стабилизируется,
• новая поверхность SiC постоянно подвергается воздействию,
• коррозия становится самоускоряющейся.

Это объясняет, почему среды NCM значительно более агрессивны, чем системы LFP.

Сопутствующая статья:

• “Почему большинство трещин на роликах начинаются в зоне контакта"

Когда коррозия проникает внутрь:

Расплавленные силикаты лития растворяют межгранулярные фазы.

Результат:

• более слабое связывание зерна,
• уменьшенное сопротивление переломам,
• более хрупкая.

Компонент постепенно теряет:

• устойчивость к изгибу,
• термоупорность,
• конструктивная надежность.

Окончательный результат:

• отломки краев,
• поверхностное разделение,
• Перелом на ролике.

LiOH создает высокореактивные виды лития при повышенной температуре, резко ускоряя реакции коррозии.

Плотные микроструктуры уменьшают пути проникновения.

Рекомендуемый раствор:

Беснагнетательный синтерный SiC-роллер

Преимущества:

• почти нулевая открытая пористость,
• более сильное связывание зерна,
• повышенная коррозионная стойкость.

Рекомендуемые покрытия:

• Y2O3
• Плазменные покрытия Al2O3
• Условия CVD SiC

Функции:

• уменьшить увлажнение расплавленной соли,
• проникновение лития блока,
• замедление растворения оксида.

Сопутствующие продукты:

• Защитная оболочка термопары
• Бездавляемый синтерированный Си-Си-Садгар

Критическое ускорение коррозии происходит около 700-800°С.

Рекомендуемые действия:

• оптимизировать скорость нагрева,
• сокращение времени пребывания в зоне расплавленной фазы,
• улучшить равномерность температуры печи.

Сопутствующая инженерная тема:

• “Понимание теплового напряжения в пружинных SiC-роллерах"

Коррозионные ролики становятся более уязвимыми к контактным нагрузкам.

Неправильные системы поддержки могут ускорить перелом.

Сопутствующее чтение:

• “Критическое влияние опорных конструкций печи на продолжительность жизни карбида кремниевого ролика"
• “Спиральное изнашивание в системах печи с пружиной: контактное изнашивание или отказ от стрижки?"

Неисправность SiC в среде лития не вызвана одним фактором.

Он является результатом:

• окисление,
• химию расплавленной фазы,
• проникновение границ зерна,
• тепловое напряжение,
• и механическое ослабление.

Наиболее опасной стадией часто является не начальная окисление, а:

переход от защиты поверхности к проникновению в расплавленную фазу.

Коррозия SiC в среде лития происходит по последовательному механизму деградации слоя за слоем:

1. Формы поверхностного окислительного слоя
2. Соединения лития атакуют оксидный слой
3. Разжигаются расплавленные силикаты
4. Коррозия проникает внутрь
5. Внутренняя структура ослабевает
6. Механическая неисправность

Вот почему:

• коррозия не ограничивается поверхностью,
• с течением времени ускоряется деградация,
• и сбои могут возникнуть внезапно после длительного воздействия.

Долгосрочная надежность систем литиевых батарейных печей зависит от:

• плотная микроструктура,
• устойчивость к расплавленным силикатам лития,
• управление тепловыми нагрузками,
• и оптимизированный дизайн системы поддержки.

Для агрессивных производственных условий NCM, передовой поверхности ирастворы SSiC высокой плотностиОни имеют решающее значение для продления срока службы и сокращения времени простоя.