Các cuộn silicon carbide (SiC) được sử dụng rộng rãi trong sản xuất vật liệu cathode pin lithium do độ ổn định nhiệt độ cao và độ bền cơ học của chúng.

Tuy nhiên, trong các điều kiện quá trình khác nhau, hành vi ăn mòn của chúng có thể khác nhau đáng kể.

Nghiên cứu trường hợp này phân tích hiệu suất củaVòng cuộn SiCtrongLFP (LiFePO4)vàNCM (Nickel Cobalt Manganese)môi trường sản xuất, tập trung vào cơ chế ăn mòn, chế độ thất bại và chiến lược tối ưu hóa.

• Nguồn lithium:Li2CO3
• Không khí lò: Kiểu ăn mòn thấp, chủ yếu là hơi nước
• Nhiệt độ tối đa: ~ 1000°C

Hiệu suất quan sát:

• Sự lắng đọng bề mặt màu xám đồng nhất
• Không giảm mật độ đáng kể
• Không có gãy xương trong quá trình hoạt động
• Thời gian sử dụng: ~ 2 năm

Các con lăn duy trì hiệu suất ổn định trong điều kiện tương đối nhẹ.

• Nguồn lithium:LiOH
• Không khí: Khí oxy hóa + khí ăn mòn
• Khu vực nhiệt độ quan trọng:700-800°C

Các vấn đề được quan sát:

• Việc phân tách bề mặt quy mô lớn
• Giảm mật độ đáng kể
• Sự suy thoái cấu trúc bên trong
• Thời gian sử dụng: ~ 2 tháng
• Thất bại: 2 vết gãy cuộn được ghi nhận

Sự ăn mòn và sự cố cơ khí ảnh hưởng đáng kể đến sự ổn định sản xuất.

Phân tích XRD và XRF cho thấy:

• Bản gốcGiai đoạn SiC giảm đáng kể
• Các hợp chất mới được hình thành:
  • Lithium silicate (Li2SiO3, Li2Si2O5)
  • Các hợp chất có chứa niken
  • Lithium-mangan oxide

Điều này cho thấyPhản ứng hóa học mạnh làm thay đổi cấu trúc vật liệu.

Phân tích SEM cho thấy:

• Tăng độ xốp
• Kích thước lỗ chân lông mở rộng
• Cấu trúc nội bộ nới lỏng

Sự thay đổi được đo:

• Mật độ giảm từ≥ 3,05 g/cm3 → ~ 2,8 g/cm3

Kiểu ăn mòn thâm nhập bên ngoài bề mặt vào vật liệu lớn.

SiC phản ứng với oxy:

SiC + O2 → SiO2

• Tạo thành một lớp bảo vệ tạm thời
• Có thể thất bại trong điều kiện hung hăng

Ở nhiệt độ cao:

• LiOH phân hủy → các loài lithium phản ứng
• Phản ứng với SiO2:

SiO2 + Li2O → Li2SiO3

Tại700-800°C:

• Lithium silicates mềm → hình thành pha nóng chảy
• Xóa lớp bảo vệ SiO2

Dẫn đến tiếp xúc liên tục và ăn mòn nhanh hơn

SiC phản ứng với các hợp chất lithium nóng chảy:

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

Kết quả trongtiêu thụ vật liệu nhanh chóng

• Lithium silicates thâm nhập dọc theo ranh giới ngũ cốc
• Các giai đoạn ranh giới ngũ cốc hòa tan
• Liên kết giữa các hạt suy yếu

Dẫn đến:

• Phân rã cấu trúc
• Sức mạnh cơ học giảm
• Chấn thương gãy xe cuộn

Sự khác biệt chính giữa LFP và NCM:

LiOH + pha nóng chảy nhiệt độ cao là động lực chính của ăn mòn

• Phương pháp: phun plasma
• Lớp phủ:Y2O3 / Al2O3

Chức năng:

• Ngăn ngừa mặn nóng chảy ướt
• Nhập khí khối
• Sự ăn mòn chậm

Ưu điểm:

• Hiệu quả về chi phí (~ 1000 RMB mỗi cuộn)
• Thực hiện nhanh chóng

Thích hợp để cải thiện ngắn hạn

• Phương pháp: Phân tích hơi hóa học (CVD)
• Kết quả: Lớp bề mặt SiC tinh khiết cao

Lợi ích:

• Cấu trúc dày đặc
• Mối liên kết mạnh mẽ
• Đường ăn mòn khối

Cung cấpổn định lâu dài và tuổi thọ lâu hơn

• Thực hiện lớp phủ hoặc nâng cấp CVD
• Bắt đầu với các thử nghiệm nhỏ

• Tối ưu hóa tốc độ sưởi ấmPhạm vi 700~800 °C
• Giảm sự hình thành pha nóng chảy

• Kiểm tra mật độ thường xuyên
• Kiểm tra bề mặt
• Thay thế các con lăn bị ăn mòn nghiêm trọng sớm

Trường hợp này chứng minh rằng:

• Các cuộn SiC hoạt động tốt trongmôi trường LFP nhẹ
• Nhưng phải đối mặt với sự suy thoái nghiêm trọng trongCác quy trình NCM với LiOH

Sự kết hợp của:

• Nhiệt độ cao
• Các hợp chất lithium phản ứng
• Sự hình thành giai đoạn nóng chảy

dẫn đến ăn mòn nhanh chóng và hỏng cấu trúc.

Đối với các ứng dụng đòi hỏi cao như sản xuất NCM:

Thiết kế vật liệu và kỹ thuật bề mặt là rất quan trọng
Các giải pháp SiC nâng cấp có thể cải thiện đáng kể độ tin cậy và tuổi thọ