مدونة

تجد حبات الزركونيا تطبيقها في طحن مواد الأنود والكاثود لبطاريات الليثيوم أيون. فيما يلي ثلاث طرق لتحضير فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4) باستخدام حبات الزركونيا.

طريقة الحد من الكربوثيرمال

تستخدم طريقة التخفيض الكربوثيرمال خاصية الاختزال للكربون لتقليل Fe3+ بينما تشكل في نفس الوقت طبقة كربون على سطح LiFePO4. يمنع طلاء الكربون هذا تراكم الجسيمات، ويزيد من الاتصال بين الجسيمات، ويحسن التوصيل الكهربائي. إحدى مزاياها هي أنها تخلق جوًا مختزلًا قويًا أثناء التصنيع، مما يسمح باستخدام ليس فقط مركبات الحديد ثنائي التكافؤ ولكن أيضًا مركبات الحديد ثلاثي التكافؤ كمصادر للحديد، وبالتالي تقليل التكاليف. اعتمدت شركات مثل Valence في الولايات المتحدة وSuzhou Hengzheng هذه الطريقة لإعداد LiFePO4. توفر هذه الطريقة ميزة عملية الإنتاج البسيطة والتي يمكن التحكم فيها، حيث يمكن الحصول على عينة بعد تلبيد واحد، مما يوفر طريقًا بديلاً لتصنيع LiFePO4. باستخدام Fe2O3، Li2CO3، NH4H2PO4، وأسود الكربون كمواد خام، يتم تحضير مساحيق LiFePO4/C عبر طريقة الاختزال الكربوثيرمال. يُظهر LiFePO4/C الذي تم تصنيعه تحت درجة حرارة 700 درجة مئوية في جو خامل تبلورًا ممتازًا وقدرة تفريغ شحن أولية عالية تبلغ 150 مللي أمبير/جرام. بحثت الأبحاث حول تحضير مواد كاثود فوسفات حديد الليثيوم باستخدام أكسيد الحديد كمصدر للحديد وطريقة الاختزال الكربوثيرمالي في آلية التفاعل. في التفاعل، يتفاعل Fe2O3 → Fe3O4 → FeO، وFeO مع LiH2PO4 عند 600 درجة مئوية لتكوين LiFePO4. باستخدام CH3COOLi، NH4H2PO4، Fe(CH3COO)2، وحمض الستريك كمواد خام، يتم الحصول على المنتج المطلوب من خلال طحن الكرة، والتجفيف، والضغط، والتلبيد. تُظهر هذه العينة أداءً كهروكيميائيًا جيدًا، مع قدرة تفريغ أولية تبلغ 148 مللي أمبير/جرام بمعدل 0.2 درجة مئوية ومعدل فقدان قدرة يبلغ 3% فقط بعد 50 دورة. تمت دراسة تأثير ثلاثة عوامل عملية: درجة حرارة التلبيد، وزمن التلبيد، ومحتوى الكربون، على الأداء الكهروكيميائي. من خلال التجارب المحسنة، تم العثور على أفضل ظروف العملية لتكون 12٪ من محتوى الكربون والتلبيد عند 750 درجة مئوية لمدة 15 ساعة، حيث أظهرت العينة المركبة أفضل أداء كهروكيميائي، مع قدرة تفريغ شحن أولية تبلغ 140 مللي أمبير / جرام و معدل الاحتفاظ بالقدرة 97% بعد 80 دورة.

طريقة تلبيد الميكروويف

تتيح طريقة التلبيد بالموجات الدقيقة، التي تتميز بقدرتها القوية على الاختراق، التسخين المتزامن لكل من السطح ومركز الجسم، مما يحقق توزيعًا موحدًا للحرارة. بالمقارنة مع طرق التسخين الأخرى، فهو يتميز بمعدلات تسخين سريعة، أوقات تركيب قصيرة، تسخين موحد، واستهلاك منخفض للطاقة. يتضمن تحضير LiFePO4 باستخدام طريقة الميكروويف نسبًا متكافئة لطحن الكرة من Fe(CH3COO)2، Fe(CH2CHOHCOO)2·2H2O، وFe كمصادر حديد مع Li2CO3 وNH4H2PO4 باستخدام حبات الزركونيا. بعد التجفيف والضغط، توضع العينات في البوتقات ويتم تسخينها في فرن الميكروويف المنزلي. والجدير بالذكر أن Fe(CH2CHOHCOO)2 لا يمتص الميكروويف وبالتالي لا يتفاعل. تشير النتائج التجريبية إلى أن وقت تسخين الميكروويف يعد عاملاً حاسمًا في تركيب LiFePO4. تُظهر العينات المشتقة من الحديد كمصدر للحديد أداءً كهروكيميائيًا فائقًا، مع قدرة تفريغ أولية تبلغ 125 مللي أمبير/جرام عند 60 درجة مئوية ومعدل 0.1 درجة مئوية. باستخدام FeC2O4 كمادة خام، ودمج 15% من مسحوق الجرافيت، وإخضاع العينات للطحن والضغط والتحلل المسبق، يتم بعد ذلك وضع العينات في فرن ميكروويف منزلي بقدرة 500 وات. يكشف تحليل وقت التسخين عن تأثيره على بنية العينة وشكلها. يبدأ LiFePO4 في التشكل بعد 5 دقائق من التسخين، لكن البنية البلورية غير مكتملة وممتلئة. يؤدي التسخين لمدة 9 دقائق إلى ظهور قمم حيود حادة، مما يشير إلى بلورات متطورة ذات حجم حبيبي أصغر. ومع ذلك، فإن التسخين لمدة 11 دقيقة يؤدي إلى تكوين مرحلة شوائب، Fe3(PO4)2، على الأرجح بسبب التحلل الناجم عن التسخين المفرط. تظهر العينة المثالية التي تم الحصول عليها بعد 9 دقائق من تسخين الميكروويف بنية بلورية كاملة مع أصغر حجم للحبيبات وقدرة تفريغ أولية تبلغ 148 مللي أمبير/جرام.

الطريقة الميكانيكية الكيميائية

يتم استخدام الطريقة الميكانيكية الكيميائية لتحضير مركبات شديدة التشتت. يؤدي تطبيق القوة الميكانيكية إلى تحطيم الجزيئات، مما يزيد من مساحة التلامس وإدخال عيوب شبكية، وبالتالي تعزيز التفاعلات الكيميائية. باستخدام LiOH وFeC2O4 و(NH4)2HPO4 كمواد خام، يتم تحضير مواد الكاثود LiFePO4 ذات الأداء الكهروكيميائي الممتاز من خلال عملية صناعة السبائك الميكانيكية. يؤدي طحن الكرات Fe3(PO4)2 وLi3PO4 والسكروز لمدة 24 ساعة في مطحنة كروية كوكبية باستخدام خرز الزركونيا، تليها المعالجة الحرارية عند 500 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة تحت جو من النيتروجين، إلى تخليق LiFePO4. يُظهر LiFePO4 المعالج بالحرارة بنية بلورية كاملة مع مادة مضافة كربونية موصلة. قدرة التفريغ المحددة بمعدل 0.2 درجة مئوية قريبة من القيمة النظرية البالغة 160 مللي أمبير/جرام، مما يدل على أداء ممتاز لركوب الدراجات.

خاتمة

باختصار، تلعب حبات الزركونيا دورًا مهمًا في عملية طحن مواد الأنود والكاثود لبطاريات الليثيوم، وخاصة في تحضير فوسفات حديد الليثيوم. وقد مكّن تطبيقها ثلاث طرق تحضير متميزة - طريقة الاختزال الكربوثيرمال، وطريقة التلبيد بالموجات الدقيقة، والطريقة الميكانيكية الكيميائية - لتحقيق نتائج ملحوظة. من خلال تحسين معلمات العملية، نجحت هذه الطرق في إنتاج مواد فوسفات حديد الليثيوم ذات الأداء الكهروكيميائي العالي، مما يوفر دعمًا قويًا لتحسين الأداء والإنتاج الصناعي لبطاريات الليثيوم . ومع التقدم المستمر للتكنولوجيا وإجراء المزيد من الأبحاث، من المتوقع أن يصبح تطبيق حبات الزركونيا في مجال بطاريات الليثيوم أكثر اتساعًا، مما يساهم بشكل كبير في تطوير قطاع الطاقة الجديد.