กรณีศึกษา: การวิเคราะห์การกัดกร่อนของลูกกลิ้ง SiC ในการผลิตแคโทด LFP และ NCM

โดยเฉพาะลูกกลิ้งซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)ลูกกลิ้ง SiC (SSiC) เผาผนึกไร้แรงดันสำหรับเตาเผาแบตเตอรี่ลิเธียมมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตวัสดุแคโทดเนื่องจากมีความเสถียรที่อุณหภูมิสูงและความแข็งแรงทางกล

อย่างไรก็ตาม ภายใต้สภาวะกระบวนการที่แตกต่างกัน พฤติกรรมการกัดกร่อนอาจแตกต่างกันอย่างมาก

กรณีศึกษานี้จะวิเคราะห์ประสิทธิภาพของลูกกลิ้ง SiCในLFP (LiFePO₄)และNCM (นิกเกิลโคบอลต์แมงกานีส)สภาพแวดล้อมการผลิต โดยมุ่งเน้นไปที่กลไกการกัดกร่อน โหมดความล้มเหลว และกลยุทธ์การปรับให้เหมาะสม

• แหล่งลิเธียม:ลิ₂CO₃
• บรรยากาศเตาหลอม: มีการกัดกร่อนต่ำ ส่วนใหญ่เป็นไอน้ำ
• อุณหภูมิสูงสุด: ~1000°C

ประสิทธิภาพที่สังเกตได้:

• การสะสมพื้นผิวสีเทาสม่ำเสมอ
• ไม่มีการลดความหนาแน่นอย่างมีนัยสำคัญ
• ไม่มีการแตกหักระหว่างการทำงาน
• อายุการใช้งาน: ~ 2 ปี

ลูกกลิ้งรักษาประสิทธิภาพการทำงานที่มั่นคงภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรง

ภายใต้สภาพแวดล้อมลิเธียมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง ลูกกลิ้งธรรมดาอาจเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วขณะอัพเกรดโซลูชันลูกกลิ้ง SSiCให้ความเสถียรของโครงสร้างที่ดีขึ้นและความต้านทานการกัดกร่อน

ประเด็นที่สังเกตได้:

• การหลุดร่อนของพื้นผิวขนาดใหญ่
• ลดความหนาแน่นลงอย่างมาก
• การเสื่อมสภาพของโครงสร้างภายใน
• อายุการใช้งาน: ~ 2 เดือน
• ความล้มเหลว: บันทึกการแตกหักของลูกกลิ้ง 2 ครั้ง

การกัดกร่อนและความล้มเหลวทางกลส่งผลกระทบอย่างมากต่อเสถียรภาพในการผลิต

การวิเคราะห์ XRD และ XRF เปิดเผยว่า:

• ต้นฉบับเฟส SiC ลดลงอย่างมาก
• สารประกอบใหม่เกิดขึ้น:
  • ลิเธียมซิลิเกต (Li₂SiO₃, Li₂Si₂O₅)
  • สารประกอบที่ประกอบด้วยนิกเกิล
  • ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์

สิ่งนี้บ่งชี้ว่าปฏิกิริยาเคมีที่รุนแรงทำให้โครงสร้างของวัสดุเปลี่ยนแปลงไป.

การวิเคราะห์ SEM แสดงให้เห็นว่า:

• มีความพรุนเพิ่มขึ้น
• ขนาดรูขุมขนขยายใหญ่ขึ้น
• โครงสร้างภายในที่หลวม

การเปลี่ยนแปลงที่วัดได้:

• ความหนาแน่นลดลงจาก≥3.05 ก./ซม. → ~2.8 ก./ซม. 3

การกัดกร่อนทะลุผ่านพื้นผิวเข้าไปในวัสดุเทกอง

SiC ทำปฏิกิริยากับออกซิเจน:

SiC + O₂ → SiO₂

• สร้างชั้นป้องกันชั่วคราว
• สามารถล้มเหลวได้ภายใต้สภาวะที่รุนแรง

ที่อุณหภูมิสูง:

• LiOH สลายตัว → ลิเทียมชนิดที่เกิดปฏิกิริยา
• ทำปฏิกิริยากับ SiO₂:

SiO₂ + Li₂O → Li₂SiO₃

ที่700–800°ซ: :

• ลิเธียมซิลิเกตอ่อนตัวลง → ก่อตัวเป็นเฟสหลอมเหลว
• ละลายชั้นป้องกัน SiO₂

ทำให้เกิดการสัมผัสอย่างต่อเนื่องและเกิดการกัดกร่อนเร็วขึ้น

SiC ทำปฏิกิริยากับสารประกอบลิเธียมหลอมเหลว:

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

ผลลัพธ์ในการใช้วัสดุอย่างรวดเร็ว

• ลิเธียมซิลิเกตทะลุผ่านขอบเขตของเกรน
• ระยะขอบเขตของเมล็ดข้าวละลาย
• พันธะตามขอบเกรนอ่อนตัวลง

นำไปสู่:

• การสลายตัวของโครงสร้าง
• ความแข็งแรงทางกลลดลง
• การแตกหักของลูกกลิ้ง

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่าง LFP และ NCM:

LiOH + เฟสหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูงเป็นตัวขับเคลื่อนหลักของการกัดกร่อน

• วิธีการ: การพ่นพลาสม่า
• การเคลือบผิว:Y₂O₃ / อัล₂O₃

การทำงาน:

• ป้องกันไม่ให้เกลือหลอมเหลวเปียก
• ปิดกั้นการซึมผ่านของก๊าซ
• ชะลอการกัดกร่อน

ข้อดี:

• คุ้มค่า (~1,000 RMB ต่อลูกกลิ้ง)
• การดำเนินการที่รวดเร็ว

เหมาะสำหรับการปรับปรุงในระยะสั้น

สำหรับสภาพแวดล้อมการผลิต NCM ที่ก้าวร้าวมากขึ้น ประสิทธิภาพสูงลูกกลิ้งซิลิกอนคาร์ไบด์เผาผนึกไร้แรงดันเมื่อรวมกับวิศวกรรมพื้นผิวขั้นสูงสามารถปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนในระยะยาวได้อย่างมาก

ประโยชน์:

• โครงสร้างหนาแน่น
• พันธะที่แข็งแกร่ง
• ปิดกั้นเส้นทางการกัดกร่อน

จัดเตรียมให้ความมั่นคงในระยะยาวและอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น

เมื่อการกัดกร่อนและความเสถียรทางความร้อนมีความสำคัญ ให้เลือกความหนาแน่นลูกกลิ้งเตาเผา SSiCด้วยการปกป้องพื้นผิวที่เหมาะสมสามารถปรับปรุงอายุการใช้งานในระบบการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมได้อย่างมาก

• ใช้การเคลือบหรือการอัพเกรด CVD
• เริ่มต้นด้วยการทดลองชุดเล็ก

• ปรับอัตราการทำความร้อนให้เหมาะสมในช่วงอุณหภูมิ 700–800°C
• ลดการเกิดเฟสหลอมเหลว

• การทดสอบความหนาแน่นเป็นประจำ
• การตรวจสอบพื้นผิว
• เปลี่ยนลูกกลิ้งที่สึกกร่อนอย่างรุนแรงตั้งแต่เนิ่นๆ

กรณีนี้แสดงให้เห็นว่า:

• ลูกกลิ้ง SiC ทำงานได้ดีสภาพแวดล้อม LFP ที่ไม่รุนแรง
• แต่ต้องเผชิญกับความเสื่อมโทรมอย่างรุนแรงค่ะNCM ประมวลผลด้วย LiOH

การรวมกันของ:

• อุณหภูมิสูง
• สารประกอบลิเธียมที่ทำปฏิกิริยา
• การก่อตัวของเฟสหลอมเหลว

นำไปสู่การกัดกร่อนอย่างรวดเร็วและความล้มเหลวของโครงสร้าง

สำหรับการใช้งานที่มีความต้องการสูง เช่น การผลิต NCM:

การออกแบบวัสดุและวิศวกรรมพื้นผิวมีความสำคัญอย่างยิ่ง
โซลูชัน SiC ที่อัปเกรดแล้วสามารถปรับปรุงความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งานได้อย่างมาก

ลูกกลิ้งซิลิกอนคาร์ไบด์เผาผนึก (SSiC) ไร้แรงดันถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายใน:

• การผลิตวัสดุแคโทดแบตเตอรี่ลิเธียม,
• เตาเผาแบบลูกกลิ้ง,
• สายการผลิต NCM และ LFP
• และสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง

ข้อดีที่สำคัญ ได้แก่ :

• ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงที่ดีเยี่ยม
• การนำความร้อนที่มั่นคง
• ปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อน
• และความน่าเชื่อถือของโครงสร้างในระยะยาว

สำรวจ:

• ลูกกลิ้ง SiC เผาผนึกไร้แรงดัน
• ส่วนประกอบซิลิกอนคาร์ไบด์เผาผนึก (SSiC) ไร้แรงดัน