أولا: خلفية البحث وأهميته
تُستخدم بطاريات أيونات الليثيوم على نطاق واسع في بطاريات الطاقة، وأنظمة تخزين الطاقة، والإلكترونيات الاستهلاكية، نظرًا لمزاياها المتمثلة في كثافة الطاقة العالية، والقدرة العالية، وعمرها الافتراضي الطويل، وملاءمتها للبيئة. من بين مواد الكاثود المختلفة، أصبح فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO₄ أو LFP) مادة كاثود شائعة الاستخدام نظرًا لسلامته العالية، وتكلفته المنخفضة نسبيًا، واستقراره الهيكلي الجيد. ومع ذلك، يؤثر أداء معالجة LFP بشكل مباشر على جودة صفائح الأقطاب الكهربائية وأداء البطارية، حيث تُعد عملية التكسير خطوة أساسية في التحكم في حجم جسيمات المادة وتوزيعها. تدرس هذه الورقة البحثية بشكل منهجي آثار سرعة التغذية وضغط الطحن على توزيع حجم الجسيمات، وخصائص الملاط، وجودة صفائح الأقطاب الكهربائية، والأداء الكهروكيميائي لمواد LFP، مما يوفر أساسًا لتحسين العمليات في الإنتاج الصناعي.
II. الأساليب التجريبية
LFP precursor was prepared using iron phosphate as the iron source via a carbothermal reduction method. The initial material, labeled LFP-0, was obtained after spray drying and high-temperature sintering. A QLM-2 type jet mill was used to process LFP-0 under different feed speeds (0.50 kg/h, 0.75 kg/h, 1.00 kg/h, 1.25 kg/h) and grinding pressures (15 m³/h, 18 m³/h, 21 m³/h, 24 m³/h), yielding multiple sample groups. Material physical properties were characterized using a particle size analyzer, scanning electron microscope (SEM), and powder resistivity meter. The samples were then made into electrode sheets and 6 Ah pouch cells for systematic testing of slurry fineness, viscosity, electrode sheet compaction density, and cell capacity and impedance.
ثالثًا: تحليل المواد الأولية قبل الطحن
تتكون مادة LFP-0 غير المطحونة من جسيمات كروية ذات توزيع حجم جسيمات مركز: D₅₀ كان 16.3 ميكرومتر، وDmax تجاوز 30 ميكرومتر. وبلغت دقة الملاط المقابلة 37-39.
ميكرومتر، متجاوزًا بذلك المعيار المقبول لخط الإنتاج (≤35 ميكرومتر). بلغت كثافة ضغط صفائح الأقطاب الكهربائية 2.17 غ/سم³ فقط، وهي أقل من متطلبات بطاريات الطاقة وتخزين الطاقة (≥2.40 غ/سم³). على الرغم من أن سعة التفريغ النوعية 0.1 سيلومتر بلغت 160.8 مللي أمبير/غ، إلا أن ضعف أداء المعالجة دلّ على ضرورة عملية الطحن.
رابعًا. تأثير سرعة التغذية على أداء LFP
مع الحفاظ على ضغط الطحن ثابتًا عند 21 م³/ساعة، تمت دراسة تأثير سرعات التغذية المختلفة:
1. حجم الجسيمات وشكلها: أدت سرعات التغذية المنخفضة إلى تحسين كفاءة الطحن. كانت جزيئات LFP-I50 (0.50 كجم/ساعة) متجانسة مع Dmax < 10 ميكرومتر؛ وأظهرت LFP-I75 (0.75 كجم/ساعة) تكتلًا طفيفًا مع Dmax < 20 ميكرومتر؛ بينما لم تكن جزيئات LFP-I100 وLFP-I125، بسبب سرعة التغذية العالية جدًا، متكسرة بشكل كافٍ مع Dmax قريب من 50 ميكرومتر، على غرار المادة الأولية.
2. أداء صفائح الملاط والإلكترود: مع زيادة سرعة التغذية، ازدادت دقة الملاط بشكل ملحوظ (من 21 ميكرومتر إلى 42 ميكرومتر)، وزاد محتوى المواد الصلبة بشكل طفيف، ولم تتغير اللزوجة إلا قليلاً. انخفضت كثافة ضغط صفائح الأقطاب الكهربائية من 2.46 غ/سم³ إلى 2.40 غ/سم³. عند سرعات تغذية عالية (مثل 1.25 كجم/ساعة)، ظهرت تكتلات وفقعات وبقع على صفائح الأقطاب الكهربائية، مما أثر على تجانس المظهر.
3. الأداء الكهروكيميائي: تجاوزت السعة النوعية 0.1C لجميع العينات 158 مللي أمبير/جم، مع اختلافات طفيفة. ومع ذلك، ازدادت المعاوقة الكهروكيميائية (Rct) مع زيادة سرعات التغذية، مما يشير إلى أن سرعات التغذية العالية جدًا تُلحق الضرر بطبقة الطلاء الكربوني، مما يزيد من مقاومة السطح البيني.
V. تأثير ضغط الطحن على أداء LFP
عند سرعة تغذية ثابتة تبلغ 0.75 كجم / ساعة، تمت دراسة تأثير ضغوط الطحن المختلفة:
1. حجم الجسيمات وشكلها: عند ضغط 15 م³/ساعة، كان كسر الجسيمات غير كافٍ، مع Dmax > 10 ميكرومتر؛ عندما زاد الضغط إلى 21 م³/ساعة وما فوق، انخفض Dmax إلى أقل من 20 ميكرومتر؛ كانت الغالبية العظمى من جسيمات LFP-V24 (24 م³/ساعة) أصغر من 2 ميكرومتر، مع توزيع حجم مركّز.
2. أداء المعالجة: عند الضغط المنخفض (15 م³/ساعة)، وصلت دقة الملاط إلى 42 ميكرومتر، وظهرت نتوءات جسيمية واضحة على صفائح الأقطاب الكهربائية؛ عندما زاد الضغط إلى 21 م³/ساعة، انخفضت الدقة إلى 33 ميكرومتر، وتحسن مظهر صفائح الأقطاب الكهربائية؛ عند 24 م³/ساعة، أصبحت الصفائح ناعمة وخالية من العيوب، مع ارتفاع كثافة الضغط إلى 2.46 جم/سم³.
٣. السلوك الكهروكيميائي: حققت جميع العينات سعات أعلى من ١٥٩ مللي أمبير/غرام. ومع ذلك، أدى زيادة ضغط الطحن إلى تفاقم تلف طبقة الكربون، مما أدى إلى زيادة مقاومة المسحوق واستهلاك البطارية.
السادس. التحسين الشامل والاستنتاج
بموازنة التحكم في حجم الجسيمات، وأداء المعالجة، والأداء الكهروكيميائي، حُددت معايير العملية المثلى على النحو التالي: سرعة التغذية 0.75 كجم/ساعة، وضغط الطحن 21 متر مكعب/ساعة. في ظل هذه الظروف:
يتم التحكم في Dmax في حدود 20 ميكرومتر
نعومة الملاط ≤35 ميكرومتر
كثافة ضغط صفائح الأقطاب الكهربائية ≥2.44 جم/سم³
سعة التفريغ النوعية 0.1C هي ≥159 مللي أمبير/جرام
مع تجنب عيوب مظهر صفائح الأقطاب الكهربائية والمقاومة العالية بشكل مفرط.
٧. اقتراحات للتطبيق العملي
يحتاج مصنعو LFP إلى ضبط عملية الطحن ديناميكيًا بناءً على توزيع حجم الجسيمات، ومورفولوجيا المجهر الإلكتروني الماسح، وأطياف معاوقة البطارية. هذا يمنع إتلاف طبقة طلاء الكربون نتيجة الإفراط في الطحن أو التأثير سلبًا على أداء المعالجة نتيجةً لطحن غير كافٍ. يجب اختيار معلمات المعدات بدقة لتحسين كفاءة الإنتاج مع ضمان قابلية معالجة المنتج وأدائه الكهروكيميائي.
ثامناً: قيمة البحث
لا تقتصر هذه الدراسة على توفير معايير محددة وقابلة للتطبيق لعملية الطحن النفاث لمواد LFP، بل تُعمّق أيضًا فهم العلاقة بين توزيع حجم الجسيمات والأداء العام للبطارية. وتتمتع بأهمية توجيهية كبيرة لتطوير التطبيقات الصناعية لبطاريات LFP.
مسحوق ملحمي
The Epic Powder Jet Mill stands out as the ideal choice for high-demand powder processing. It offers exceptional grinding efficiency and precise particle size control. We are committed to creating greater value for our customers through innovative technology and comprehensive after-sales support, helping your business soar.
Choose Epic Powder for quality and reliability, and let’s work together to shape a new future! Contact us today for a customized solution and experience industry-leading powder processing technology!