- 氮化硅結合碳化硅匣缽在合成鋰離子三元正極材料上的應用
- 作者：nhxx
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- 期號 : 2024 年， 第12期
- 關鍵詞： 氮化硅結合碳化硅匣缽，合成鋰離子三元正極材料，應用
高鎳三元電池 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（以下簡稱NCM811）具有較高的放電比容量，近年來所占市場份額逐年增加，被認為是三元正極材料未來發展方向。研究表明，重結晶碳化硅、氮化硅結合碳化硅抗三元電池侵蝕性能優于堇青石-莫來石材質�？紤]到重結晶碳化硅材料制備過程復雜、成本較高，在市場推廣過程中存在性價比差的問題，中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司的研究人員以氮化硅結合碳化硅匣缽作為研究對象，將其投放到 NCM811 電池輥道窯中進行循環服役，并對匣缽的使用效果、下線原因、理化指標變化、抗侵蝕情況進行分析。
高鎳三元電池的合成溫度一般在 700 ～ 850 °C之間，純氧氣氛下一個燒結周期約為 20～24 h。目前三元正極材料的工業化生產一般采用連續式操作窯爐，廣泛使用的是輥道窯，輥道窯由發熱元件發熱，通過熱輻射、熱傳導的方式傳遞能量給物料，這就要求匣缽有良好的導熱性。氮化硅結合碳化硅的導熱系數一般在 19 W·m-1 ·K-1 左右，遠高于堇青石-莫來石的導熱系數（≤ 2 W·m-1 ·K-1 ）。使用氮化硅結合碳化硅匣缽能使燒結周期縮短 2～4 h，能耗也有一定程度的降低。
圖 1 為氮化硅結合碳化硅匣缽使用 78 次下線之后的照片，從圖 1（a）、（b）中可以看出匣缽基本結構未被破壞，匣缽底部反應層表面雖不平整，但整體呈現連續、穩定的狀態，在服役時也很少脫落；從（c）、（d）中看出匣缽側邊拐角處出現了一處裂紋，該裂紋貫穿整個側邊，在匣缽底部也有延伸。分析認為，側壁裂紋出現生長的原因是材料在反復熱震過程中產生應力，由于匣缽形狀屬于半封閉狀態，應力無處釋放形成積累，進而生成裂紋，由于氮化硅結合碳化硅材料對于裂紋的修復能力較弱，導致裂紋越來越大，最終下線。
(a) 主視圖，(b) 內部圖，(c), (d) 匣缽側面裂紋
(b) 圖1 氮化硅結合碳化硅匣缽服役 78 次后照片
試驗分析了匣缽的致密性，匣缽服役前的氣孔率主要在11%~13%之間，體積密度分布在2.68~2.71 g·cm-3之間。匣缽側壁越靠底部的區域致密性越低，匣缽底部越靠近中心區域越致密，服役后各個區域的致密性均有一定程度的提高。
用XRD衍射儀分析了匣缽使用78次后不同層面的物相組成及顯微結構；利用飛行時間二次離子質譜儀（簡稱 TOF-SIMS）對鋰元素在碳化硅內部的滲透深度進行表征。
研究結論表明，（1）氮化硅結合碳化硅匣缽在 NCM811 輥道中循環服役 78次后，因側壁裂紋的產生及伸展導致匣缽下線。（2）氮化硅結合碳化硅匣缽在服役過程中展示出良好的抗侵蝕性，表面生成的連續、穩定反應層使得該材質匣缽不會出現掉皮、掉渣現象。（3）反應產物主要為 Li4SiO4，反應層厚度為500 ～ 700 μm，其中 Li 元素主要富集在距離表面200 μm 以內區域。（摘編自《中國陶瓷》2024，№12，作者：王建波 等）