กลไกการกัดกร่อนแบบชั้นต่อชั้นของ SiC ในสภาพแวดล้อมลิเธียม

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบอุตสาหกรรมที่มีอุณหภูมิสูงเนื่องจาก:

• เสถียรภาพทางความร้อนที่ดีเยี่ยม
• ความแข็งแรงเชิงกลสูง
• และความต้านทานการกัดกร่อน

ในการผลิตวัสดุแบตเตอรี่ลิเธียม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบเตาเผาที่มีอุณหภูมิสูงลูกกลิ้ง SiC เผาผนึกไร้แรงดันมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการขนส่งวัสดุแคโทดผ่านกระบวนการเผาแบบต่อเนื่อง

อย่างไรก็ตาม ภายใต้บรรยากาศที่มีลิเธียม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมการผลิต NCM SiC อาจเผชิญกับการกัดกร่อนอย่างรุนแรงและการเสื่อมสภาพของโครงสร้าง

บทความนี้จะอธิบายกลไกการกัดกร่อนแบบชั้นต่อชั้นของ SiC ในสภาพแวดล้อมลิเธียม และการกัดกร่อนวิวัฒนาการจากปฏิกิริยาพื้นผิวไปสู่ความล้มเหลวจำนวนมากได้อย่างไร

สภาวะเตาเผาที่เกี่ยวข้องกับลิเธียมโดยทั่วไป ได้แก่:

• อุณหภูมิ: 700–800°C
• บรรยากาศ: ออกซิไดซ์ + สายพันธุ์ที่ประกอบด้วยลิเธียม
• แหล่งลิเธียม:
  • LiOH
  • ผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวของ Li₂CO₃

ภายใต้สภาวะเหล่านี้ สารประกอบลิเธียมจะมีปฏิกิริยาสูงและส่งผลโดยตรงต่อความเสถียรของ SiC

การอ่านที่เกี่ยวข้อง:

• การวิเคราะห์การกัดกร่อนของลูกกลิ้ง SiC ในการผลิตแคโทด LFP และ NCM

กระบวนการกัดกร่อนสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นโครงสร้างสามชั้นที่ก้าวหน้าซึ่งพัฒนาจากพื้นผิวไปสู่วัสดุเทกอง

ที่อุณหภูมิสูง SiC จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนก่อน:

$สฉันค+โอ2\to สฉันโอ2+คโอ2$

ซึ่งก่อให้เกิดชั้น SiO₂ บาง ๆ บนพื้นผิว

• ฟิล์มป้องกันออกไซด์บาง ๆ
• ในระยะแรกจะชะลอการเกิดออกซิเดชันเพิ่มเติม
• แยกซับสเตรต SiC ออกจากสภาพแวดล้อมชั่วคราว

ภายใต้บรรยากาศออกซิไดซ์ปกติ ชั้นนี้สามารถให้การป้องกันบางส่วนได้

อย่างไรก็ตาม สภาพแวดล้อมลิเธียมทำให้สถานการณ์เปลี่ยนแปลงไปโดยพื้นฐาน

เมื่อมีสายพันธุ์ที่มีลิเธียม ชั้นป้องกัน SiO₂ จะไม่เสถียรทางเคมี

สารประกอบลิเธียมทำปฏิกิริยากับ SiO₂:

$สฉันโอ2+ลฉัน2โอ\to ลฉัน2สฉันโอ3$

ที่อุณหภูมิประมาณ 700–800°C:

• ลิเธียมซิลิเกตทำให้นิ่มลง
• ระยะหลอมละลายเริ่มก่อตัว
• และชั้นป้องกันออกไซด์จะละลาย

• สิ่งกีดขวาง SiO₂ ที่ป้องกันจะหายไป
• พื้นผิว SiC ใหม่จะถูกสัมผัสอย่างต่อเนื่อง
• ด้านหน้าที่มีการกัดกร่อนเคลื่อนเข้าด้านใน

โซนปฏิกิริยาขั้นกลางนี้เป็นบริเวณความล้มเหลววิกฤตในระบบการกัดกร่อนของลิเธียม

หัวข้อวิศวกรรมที่เกี่ยวข้อง:

• “เหตุใดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันจึงมักได้รับการวินิจฉัยผิดพลาดในความล้มเหลวของส่วนประกอบ SiC"
• “ความเค้นเหนี่ยวนำให้เกิดการไล่ระดับความร้อนในส่วนประกอบของซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)"

เมื่อชั้นป้องกันล้มเหลว:

• สารประกอบลิเธียมหลอมเหลวจะเจาะลึกยิ่งขึ้น
• ขอบเขตของเมล็ดพืชอ่อนแอลง
• และปฏิกิริยาเคมีภายในจะเร่งตัวขึ้น

ผลกระทบที่สังเกตได้ ได้แก่ :

• ความพรุนเพิ่มขึ้น
• ขอบเขตของเมล็ดข้าวอ่อนลง
• การลดความหนาแน่น
• การคลายตัวของโครงสร้างภายใน

การย่อยสลายความหนาแน่นที่วัดโดยทั่วไป:

• ตั้งแต่ ≥3.05 ก./ซม.³
• ถึงประมาณ 2.8 ก./ซม. หลังจากสัมผัสกับการกัดกร่อนอย่างรุนแรง

สิ่งนี้อธิบายว่าทำไมการกัดกร่อนจึงไม่ใช่แค่ปรากฏการณ์พื้นผิวเท่านั้น

กระบวนการย่อยสลายเป็นไปตามเส้นทางที่ก้าวหน้า:

การก่อตัวของชั้น SiO₂ เริ่มต้น

↓

ชั้นป้องกันจะไม่เสถียรทางเคมี

↓

ระยะหลอมละลายแพร่กระจายภายใน

↓

พันธะภายในเสื่อมลง

↓

เกิดการแคร็ก การหลุดร่อน และการแตกหักของลูกกลิ้ง

เหตุผลสำคัญคือ:

เฟสลิเธียมซิลิเกตหลอมเหลวจะขจัดสิ่งกีดขวางออกไซด์ที่ป้องกันออกอย่างต่อเนื่อง

ต่างจากการเกิดออกซิเดชันปกติ:

• ระบบไม่เคยเสถียร
• พื้นผิว SiC ใหม่ถูกสัมผัสอย่างต่อเนื่อง
• การกัดกร่อนจะเร่งตัวขึ้นเอง

สิ่งนี้อธิบายว่าทำไมสภาพแวดล้อม NCM จึงมีความก้าวร้าวมากกว่าระบบ LFP อย่างมาก

บทความที่เกี่ยวข้อง:

• “เหตุใดรอยแตกร้าวของลูกกลิ้งส่วนใหญ่จึงเริ่มต้นจากโซนสัมผัส"

เมื่อการกัดกร่อนแทรกซึมเข้าไปด้านใน:

ลิเธียมซิลิเกตหลอมเหลวละลายเฟสตามขอบเกรน

ผลลัพธ์:

• พันธะเกรนที่อ่อนแอลง
• ลดความต้านทานการแตกหัก
• ความเปราะบางที่สูงขึ้น

ส่วนประกอบจะค่อยๆ สูญเสีย:

• แรงดัดงอ,
• ทนต่อแรงกระแทกจากความร้อน,
• ความน่าเชื่อถือของโครงสร้าง

ผลลัพธ์สุดท้าย:

• การบิ่นขอบ,
• การหลุดร่อนของพื้นผิว
• การแตกหักของลูกกลิ้ง

LiOH สร้างสายพันธุ์ลิเธียมที่มีปฏิกิริยาสูงที่อุณหภูมิสูง ซึ่งเร่งปฏิกิริยาการกัดกร่อนได้อย่างมาก

โครงสร้างจุลภาคที่หนาแน่นช่วยลดเส้นทางการเจาะ

วิธีแก้ปัญหาที่แนะนำ:

ลูกกลิ้ง SiC เผาผนึกไร้แรงดัน

ข้อดี:

• ความพรุนแบบเปิดใกล้ศูนย์
• การยึดเกาะของเมล็ดพืชที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น
• ปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อน

สารเคลือบที่แนะนำ:

• ใช่₂O₃
• การเคลือบพลาสมา Al₂O₃
• CVD SiC ชั้น

ฟังก์ชั่น:

• ลดการเปียกของเกลือหลอมเหลว
• บล็อกการเจาะลิเธียม,
• ชะลอการละลายออกไซด์

สินค้าที่เกี่ยวข้อง:

• ปลอกป้องกันเทอร์โมคัปเปิล
• SiC Saggar เผาผนึกไร้แรงดัน

การเร่งการกัดกร่อนที่สำคัญจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิใกล้ 700–800°C

การดำเนินการที่แนะนำ:

• ปรับอัตราการทำความร้อนให้เหมาะสม
• ลดเวลาการพักอาศัยในโซนเฟสหลอมเหลว
• ปรับปรุงความสม่ำเสมอของอุณหภูมิเตา

หัวข้อวิศวกรรมที่เกี่ยวข้อง:

• “การทำความเข้าใจความเครียดจากความร้อนในลูกกลิ้ง SiC ที่รองรับสปริง"

ลูกกลิ้งที่สึกกร่อนจะเสี่ยงต่อความเครียดจากการสัมผัสมากขึ้น

ระบบรองรับที่ไม่เหมาะสมสามารถเร่งการแตกหักได้

การอ่านที่เกี่ยวข้อง:

• “ผลกระทบที่สำคัญของโครงสร้างรองรับเตาเผาต่ออายุการใช้งานลูกกลิ้งซิลิคอนคาร์ไบด์"
• “การสึกหรอแบบเกลียวในระบบเตาเผาที่รองรับสปริง: การสึกหรอจากการสัมผัสหรือความล้มเหลวของแรงเฉือน"

ความล้มเหลวของ SiC ในสภาพแวดล้อมลิเธียมไม่ได้เกิดจากปัจจัยเดียว

มันเป็นผลลัพธ์รวมของ:

• ออกซิเดชัน,
• เคมีเฟสหลอมเหลว,
• การเจาะขอบเขตของเมล็ดข้าว,
• ความเครียดจากความร้อน
• และการอ่อนตัวทางกล

ระยะที่อันตรายที่สุดมักไม่ใช่การเกิดออกซิเดชันครั้งแรก แต่:

การเปลี่ยนจากการปกป้องพื้นผิวเป็นการทะลุผ่านของเฟสหลอมเหลว

การกัดกร่อนของ SiC ในสภาพแวดล้อมลิเธียมเป็นไปตามกลไกการย่อยสลายแบบทีละชั้นแบบก้าวหน้า:

1. การก่อตัวของชั้นออกซิเดชันที่พื้นผิว
2. สารประกอบลิเธียมโจมตีชั้นออกไซด์
3. ซิลิเกตหลอมเหลวพัฒนาขึ้น
4. การกัดกร่อนแทรกซึมเข้าไปด้านใน
5. โครงสร้างภายในอ่อนแอลง
6. ความล้มเหลวทางกลเกิดขึ้น

สิ่งนี้อธิบายว่าทำไม:

• การกัดกร่อนไม่ได้จำกัดอยู่ที่พื้นผิว
• การย่อยสลายจะเร่งตัวขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป
• และความล้มเหลวสามารถเกิดขึ้นได้ทันทีหลังจากสัมผัสเป็นเวลานาน

ความน่าเชื่อถือในระยะยาวของระบบเตาเผาแบตเตอรี่ลิเธียมขึ้นอยู่กับ:

• โครงสร้างจุลภาคหนาแน่น
• ความต้านทานต่อลิเธียมซิลิเกตหลอมเหลว
• การจัดการความเครียดจากความร้อน
• และการออกแบบระบบสนับสนุนที่เหมาะสมที่สุด

สำหรับสภาพแวดล้อมการผลิต NCM เชิงรุก วิศวกรรมพื้นผิวขั้นสูง และโซลูชัน SSiC ความหนาแน่นสูงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการยืดอายุการใช้งานและลดเวลาหยุดทำงาน