LiNiCoMnO2 (NCM523) وصف رقائق الألومنيوم المغلفة مزدوجة الجانب
إن رقائق الألومنيوم المغلفة مزدوجة الجانب LiNiCoMnO2 (NCM523) عبارة عن ركيزة قطب كهربائي مركب عالي الأداء مصمم لبطاريات الليثيوم أيون، حيث يدمج طبقة كاثود موحدة NCM523 (LiNi0.5Co0.5Co0.5Mn0.5O2) على جانبي قلب رقائق الألومنيوم. تعمل الركيزة المصنوعة من الألومنيوم، التي يتراوح سمكها عادةً بين 10 و20 ميكرومتر، كمجمع تيار عالي التوصيل مع مقاومة كهربائية منخفضة (~ 2.65×10^8 Ω-م) وخصائص ميكانيكية قوية، بما في ذلك قوة الشد التي تتجاوز 150 ميجا باسكال، مما يضمن السلامة الهيكلية أثناء تقويم القطب الكهربائي وتجميع الخلايا. تتألف كل طبقة طلاء NCM523، بسماكة تتراوح بين 50-120 ميكرومتر، من أكسيد فلز انتقالي متوازن (Ni:Co:Mn = 5:2:3) يتبلور في بنية طبقية α-NaFeO2 (المجموعة الفضائية *R-3m*). يسهّل هذا التكوين الطبقي عملية إقحام أيونات الليثيوم وإزالة التكثيف الفعالة، مما يوفر قدرة محددة قابلة للانعكاس تتراوح بين 160-180 مللي أمبير/غرام بمعدلات 0.1 درجة مئوية مع الحفاظ على إجهاد معتدل للشبكة (حوالي 2-3%) أثناء ركوب الدراجات، مما يقلل من التدهور الهيكلي.
وتستخدم عملية الطلاء المزدوج الجانب تقنيات دقيقة مثل طلاء القوالب ذات الفتحات أو الشفرات الطبية، يليها التقويم تحت ضغط متحكم به (5-10 ميجا باسكال) لتحقيق كثافة عالية للإلكترود (≥3.4 جم/سم3)وتوزيع موحد للمواد النشطة. يضاعف هذا التصميم المتماثل مساحة السطح النشط مقارنةً بالتكوينات أحادية الجانب، مما يعزز بشكل كبير كثافة الطاقة وتوحيد توزيع التيار. تمت صياغة طبقات NCM523 مع إضافات موصلة (على سبيل المثال، 3-5% بالوزن من أسود الكربون) ومواد رابطة PVDF لتحسين الترشيح الإلكتروني والالتصاق البيني، مما يقلل من مقاومة نقل الشحنات ويتيح أداءً عالي المعدل (على سبيل المثال، حوالي 140 مللي أمبير/غرام عند 2 درجة مئوية).
ويُعد الاستقرار الحراري سمة مميزة لـ NCM523، حيث تتجاوز درجات حرارة إطلاق الأكسجين 220 درجة مئوية في ظروف خاملة، ويعزى ذلك إلى دور المنجنيز في كبح تطور الأكسجين. وتعزز التعديلات السطحية، مثل طلاءات Al2O3 فائقة الرقة عبر ترسيب الطبقة الذرية (ALD) أو المنشطات النزرة (مثل المغنيسيوم والـ Ti)، الاستقرار البيني من خلال تخفيف التفاعلات الطفيلية وتقليل تحلل الإلكتروليت عند الفولتية العالية (حتى 4.4 فولت). كما أن نسبة المعادن الانتقالية المتوازنة تقلل أيضًا من خلط كاتيونات الليثيوم/النيكل (<4%) وتخفف من التحولات الطورية، مما يساهم في استقرار التدوير على المدى الطويل (>90% من الاحتفاظ بالقدرة بعد 500 دورة عند درجة حرارة 1C). تضمن بروتوكولات التصنيع المتقدمة، بما في ذلك التحكم في السماكة بالليزر وتنشيط سطح البلازما، توحيد الطلاء (تحمل السماكة ± 1.5 ميكرومتر) والمسامية المثلى لتسلل الإلكتروليت.
وعلى الرغم من أن البنية المزدوجة الجانب، مع زيادة كثافة الطاقة، إلا أنها تطرح تحديات مثل إدارة الإجهاد الميكانيكي أثناء ثني القطب أو تكديسها. ومع ذلك، فإن المرونة المتأصلة في ركيزة الألومنيوم ومقاومة التآكل تخفف من مخاطر التفكك، حتى في ظل التدوير الكهروكيميائي المطول. يتماشى هذا التصميم أيضًا مع عمليات الإنتاج وإعادة التدوير القابلة للتطوير، حيث يمكن فصل الألومنيوم و NCM523 بكفاءة وإعادة تدويره. من خلال المواءمة بين الكفاءة الكهروكيميائية والمرونة الميكانيكية والسلامة الحرارية، تمثل رقائق الألومنيوم المغلفة على جانبين NCM523 منصة قوية ومتعددة الاستخدامات لأنظمة تخزين الطاقة المتقدمة.
تطبيقات رقائق الألومنيوم المزدوجة الجانب المغلفة ب LiNiCoMnO2 (NCM523)
1. السيارات الكهربائية (EVs): إن NCM523 هو ممثل لمواد النيكل الثلاثية متوسطة الارتفاع من النيكل لبطاريات الطاقة الكهربائية للمركبات الكهربائية. تضمن كثافة طاقتها (160-180 مللي أمبير/غرام تقريباً) وثباتها الحراري (درجة حرارة إطلاق الأكسجين > 220 درجة مئوية) السلامة مع تلبية متطلبات المدى. من خلال تعديل السطح (على سبيل المثال، طلاء فيتات الصوديوم) وتطعيم العناصر (على سبيل المثال، Ti، Mg)، من الممكن زيادة درجة حرارة الزناد الحراري (من 125.9 درجة مئوية إلى 184.8 درجة مئوية) وتحقيق معدل احتفاظ بالسعة بنسبة 95% (500 دورة). بالإضافة إلى ذلك، تحافظ مادة NCM523 المعاد تدويرها على أدائها الممتاز بعد إعادة التدوير، على سبيل المثال، تتمتع خلايا NCM523 المعاد تدويرها مع حزمة ناعمة بمعدل احتفاظ بالسعة يبلغ 92% بعد 1000 دورة. على سبيل المثال، يصل معدل الاحتفاظ بسعة بطارية الحزمة اللينة NCM523 المعاد تدويرها إلى 92.7% بعد 1000 دورة.
2. نظام تخزين الطاقة (ESS): يتفوق NCM523 في تخزين طاقة الشبكة وتكامل الطاقة المتجددة. مع كثافة الضغط المحسّنة (≥3.0 جم/سم3) وإدخال استراتيجيات تخصيب الليثيوم (على سبيل المثال، طلاء LiYO2)، يمكن أن تصل كثافة الطاقة إلى 300-350 واط/كجم لسيناريوهات الشحن والتفريغ طويلة الدورة. وتقلل عملية التجديد (على سبيل المثال، الترشيح الحمضي - الترسيب المشترك) من التكلفة وتحسن الاقتصاد، وتصل قدرة التفريغ للمادة المعاد تدويرها إلى 168.5 مللي أمبير/كجم (0.1C).
3. الإلكترونيات الاستهلاكية: تعمل مادة NCM523 عالية الجهد (جهد القطع 4.5-4.9 فولت) على إطالة عمر بطارية الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة الأخرى بشكل كبير عن طريق تثبيط إطلاق الأكسجين وتحلل الإلكتروليت من خلال طلاء السطح (مثل أكسيد السيريوم). تتمتع المادة المعدلة بمعدل احتفاظ بالقدرة يزيد عن 80% بعد 200 دورة عند 4.9 فولت.
4. إعادة تدوير البطارية وتحديثها: يمكن إعادة توليد نفايات NCM523 من خلال مجموعة متنوعة من العمليات الفعالة. فعلى سبيل المثال، تعمل طريقة الطحن بالرش بالكرات على تجديد المواد بقدرة تفريغ تبلغ 159 مللي أمبير/غرام عند 0.1 درجة مئوية ومعدل احتفاظ بالقدرة يبلغ 91.55% بعد 100 دورة. وتعيد تقنية استعادة الملح المنصهر المادة إلى أدائها الأولي (161.2 مللي أمبير/غرام عند 0.1 درجة مئوية) عن طريق تجديد الليثيوم بأملاح منصهرة مشتركة بدرجة حرارة منخفضة. ولا تقتصر هذه الطرق على كونها صديقة للبيئة فحسب، بل لها أيضًا ربحية أعلى بحوالي 10 أضعاف من إعادة التدوير التقليدية.
5. الأجهزة عالية الطاقة والأنظمة الهجينة: يعمل NCM523 ذو البنية النانوية (مثل الصفائح النانوية على شكل الجوز) على تحسين مسار انتشار أيونات الليثيوم ويوفر سعة 131.23 مللي أمبير/غرام عند مضاعفة 10C، وهو ما يناسب سيناريوهات الطاقة العالية مثل الأدوات الكهربائية والطائرات بدون طيار وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم البنى المتغايرة المشتقة من NCM (على سبيل المثال، أقطاب NiCo-MOF@MnO2/AC) في المكثفات الفائقة غير المتماثلة ذات السعة النوعية العالية (15.2 فولت/سم2) وكثافة الطاقة (1.191 ميجاوات/سم2)، وهي مناسبة لأنظمة تخزين الطاقة الهجينة.
6. درجات الحرارة العالية والتطبيقات الصناعية: إن مقاومة NCM523 لدرجات الحرارة العالية (درجة حرارة إطلاق الأكسجين > 220 درجة مئوية) تجعله مناسبًا للآلات الصناعية وأنظمة الطاقة الاحتياطية. من خلال التعديل البيني لألومينات الليثيوم البينية، تزداد كثافة المادة المضغوطة إلى 3.3 جم/سم3 مع الحفاظ على ثبات الدورة في درجات الحرارة العالية.
تغليف رقائق الألومنيوم المغلفة برقائق الألومنيوم المزدوجة الجانب LiNiCoMnO2 (NCM523)
يتم تعبئة منتجاتنا في علب كرتونية مخصصة بأحجام مختلفة بناءً على أبعاد المواد. يتم تعبئة العناصر الصغيرة بشكل آمن في صناديق PP، بينما يتم وضع العناصر الأكبر حجمًا في صناديق خشبية مخصصة. نضمن الالتزام الصارم بتخصيص التغليف واستخدام مواد توسيد مناسبة لتوفير الحماية المثلى أثناء النقل.
التغليف: كرتون أو صندوق خشبي أو حسب الطلب.
يرجى مراجعة تفاصيل التغليف المقدمة للرجوع إليها.
عملية التصنيع
1.طريقة الاختبار
(1)تحليل التركيب الكيميائي - يتم التحقق منه باستخدام تقنيات مثل GDMS أو XRF لضمان الامتثال لمتطلبات النقاء.
(2)اختبار الخواص الميكانيكية - يشمل اختبارات قوة الشد وقوة الخضوع والاستطالة لتقييم أداء المواد.
(3)فحص الأبعاد - يقيس السماكة والعرض والطول لضمان الالتزام بالتفاوتات المحددة.
(4)فحص جودة السطح - التحقق من وجود عيوب مثل الخدوش أو الشقوق أو الشوائب من خلال الفحص البصري والفحص بالموجات فوق الصوتية.
(5)اختبار الصلابة - يحدد صلابة المواد لتأكيد التوحيد والموثوقية الميكانيكية.
يرجى الرجوع إلى إجراءات اختبارSAM للحصول على معلومات مفصلة.
الأسئلة المتداولة حول رقائق الألومنيوم المطلية بطبقة مزدوجة من جانب LiNiCoMnO2 (NCM523)
Q1. لماذا يفضل استخدام NCM في التطبيقات عالية الطاقة؟
يوفر NCM كثافة طاقة عالية (>400 واط/كجم) وخصائص كهروكيميائية قابلة للتخصيص. على سبيل المثال، يوفر NCM811 سعة 250 مللي أمبير/غرام تقريبًا، وهو مثالي للسيارات الكهربائية (EVs). تعمل التعديلات المتقدمة، مثل طلاءات فيتات الصوديوم، على تعزيز الاستقرار الحراري، مما يؤخر الهروب الحراري بنسبة 45% (من 125.9 درجة مئوية إلى 184.8 درجة مئوية).
Q2. ما هي التحديات التي تواجه الطلاء عالي النيكل NCM؟
يزيد المحتوى العالي من النيكل (على سبيل المثال، NCM811) من كثافة الطاقة ولكنه يخاطر بفقدان الأكسجين عند الفولتية العالية (>4.5 فولت)، مما يسبب انتقالات طورية وتشققات دقيقة. تشمل الحلول التخدير عالي الاستقطاب (Ti، Mg، Nb) لتقليل الإجهاد (<0.5%) والطلاءات لمنع إطلاق الأكسجين.
Q3. ما هي التطورات المستقبلية المتوقعة؟
تصميمات خالية من الكوبالت: استخدام الألومنيوم أو الأتربة النادرة لتقليل التكاليف.
الجهد العالي للغاية: تشغيل مستقر حتى 4.9 فولت مع شوارد كهربائية متقدمة.
الأنظمة الهجينة: المكثفات الفائقة القائمة على NCM لتوصيل الطاقة بسرعة.
معلومات ذات صلة
1 -طرق التحضير الشائعة
تتضمن عملية تصنيع رقائق الألومنيوم المغلفة من جانبين LiNiCoMnO2 (NCM523) عملية متعددة الخطوات تدمج تركيب مواد الكاثود وتحضير الطين وتقنيات الطلاء الدقيقة. مسحوق الكاثود NCM523 (LiNi0.5Co0.2Co0.2Mn0.3O2) عادةً عن طريق الترسيب المشترك، حيث يتم خلط المحاليل المائية لكبريتات النيكل (NiSO4-6H2O) وكبريتات الكوبالت (CoSO4-7H2O) وكبريتات المنجنيز (MnSO4-H2O) بنسبة مولارية 5:2:3 تحت درجة حموضة مضبوطة (10-12) ودرجة حرارة (50-60 درجة مئوية) لترسيب سلائف هيدروكسيد (Ni0.5Co0.2Co0.2Mn0.3(OH)2). يتم بعد ذلك مزج هذه السلائف مع هيدروكسيد الليثيوم (LiOH-H2O) بنسبة مولارية من الليثيوم إلى المعدن الانتقالي تبلغ 1.05:1 ويتم تكليسها عند 900-950 درجة مئوية لمدة 12-15 ساعة تحت تدفق الأكسجين لتشكيل بنية أكسيد الطبقات.
لتصنيع القطب الكهربائي، يتم دمج مسحوق NCM523 مع إضافات الكربون الموصلة (على سبيل المثال، 3-5% بالوزن بالوزن الخفيف من مادة سوبر P) ومادة رابطة من البولي فينيلدين فلوريد الفينيلدين (PVDF) المذابة في N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) لتشكيل ملاط متجانس. يتم طلاء الملاط بشكل متجانس على جانبي رقائق الألومنيوم المعالجة مسبقًا (بسماكة 10-20 ميكرومتر) باستخدام تقنيات الطلاء بالفتحة أو بتقنية شفرة الطبيب، مما يضمن التحكم الدقيق في سماكة الطلاء (50-120 ميكرومتر لكل جانب). ويخضع الرقاقة المغلفة للتجفيف عند درجة حرارة 80-120 درجة مئوية لإزالة المذيبات، يليها التقويم تحت ضغط 5-10 ميجا باسكال لتعزيز كثافة القطب (≥3.4جم/سم مكعب) والالتصاق. تشمل الابتكارات الرئيسية المعالجة بالبلازما أو الحفر الكيميائي لسطح الألومنيوم لتحسين قابلية ترطيب الطين والترابط البيني، بالإضافة إلى التلدين الحراري بعد الطلاء (200-300 درجة مئوية) لتقليل الإجهاد المتبقي وتثبيت طبقة القطب السالب.
وتعزز الأساليب المتقدمة مثل المنشطات عالية الاستقطاب (مثل Ti وMg وNb) أثناء تركيب السلائف استقرار الشبكة، بينما يتم تطبيق ترسيب الطبقة الذرية (ALD) من Al2O3 أو الطلاء الكيميائي الرطب (مثل فيتات الصوديوم) لمنع إطلاق الأكسجين وتحلل الإلكتروليت. ويتضمن ضمان الجودة مراقبة السماكة بالليزر (تفاوت ± 1.5 ميكرومتر) واختبار قوة التقشير (>2.0 نيوتن/سم) لضمان التوحيد والمتانة الميكانيكية. وتوازن هذه العملية بين قابلية التوسع والأداء، مما يتيح إنتاج كميات كبيرة من الأقطاب الكهربائية عالية الكثافة للطاقة للتطبيقات التي تتطلب ثباتًا كهروكيميائيًا وحراريًا قويًا.
