Les billes de zircone trouvent leur application dans le broyage des matériaux d'anode et de cathode des batteries lithium-ion. Vous trouverez ci-dessous trois méthodes de préparation de phosphate de fer et de lithium (LiFePO4) à l'aide de billes de zircone.
Méthode de réduction carbothermique
La méthode de réduction carbothermique utilise la propriété réductrice du carbone pour réduire le Fe3+ tout en formant simultanément un revêtement de carbone sur la surface du LiFePO4. Ce revêtement de carbone empêche l'agrégation des particules, augmente le contact entre les particules et améliore la conductivité électrique. L’un de ses avantages est qu’il crée une forte atmosphère réductrice lors de la synthèse, permettant l’utilisation non seulement de composés de fer divalents mais également de composés de fer trivalents comme sources de fer, réduisant ainsi les coûts. Des entreprises comme Valence aux États-Unis et Suzhou Hengzheng ont adopté cette méthode pour la préparation du LiFePO4. Cette méthode offre l’avantage d’un processus de production simple et contrôlable, où un échantillon peut être obtenu après un seul frittage, offrant ainsi une voie alternative pour l’industrialisation du LiFePO4. En utilisant Fe2O3, Li2CO3, NH4H2PO4 et du noir de carbone comme matières premières, les poudres LiFePO4/C sont préparées via la méthode de réduction carbothermique. Le LiFePO4/C synthétisé sous 700°C dans une atmosphère inerte présente une excellente cristallinité et une capacité de charge-décharge initiale élevée de 150 mAh/g. La recherche sur la préparation de matériaux cathodiques de phosphate de fer au lithium utilisant de l'oxyde de fer comme source de fer et la méthode de réduction carbothermique a exploré le mécanisme de réaction. Dans la réaction, Fe2O3 → Fe3O4 → FeO, et FeO réagit avec LiH2PO4 à 600°C pour former LiFePO4. En utilisant CH3COOLi, NH4H2PO4, Fe(CH3COO)2 et l'acide citrique comme matières premières, le produit souhaité est obtenu par broyage à boulets, séchage, pressage et frittage. Cet échantillon présente de bonnes performances électrochimiques, avec une capacité de décharge initiale de 148 mAh/g à un taux de 0,2 C et un taux de perte de capacité de seulement 3 % après 50 cycles. Les effets de trois facteurs de processus : la température de frittage, la durée de frittage et la teneur en carbone sur les performances électrochimiques ont été étudiés. Grâce à des expériences optimisées, les meilleures conditions de traitement se sont avérées être une teneur en carbone de 12 % et un frittage à 750 °C pendant 15 heures, dans lesquelles l'échantillon synthétisé présentait les meilleures performances électrochimiques, avec une capacité de charge-décharge initiale de 140 mAh/g et une taux de rétention de capacité de 97 % après 80 cycles.
Méthode de frittage par micro-ondes
La méthode de frittage par micro-ondes, caractérisée par sa forte capacité de pénétration, permet de chauffer simultanément la surface et le centre d'un objet, obtenant ainsi une répartition uniforme de la chaleur. Comparé à d’autres méthodes de chauffage, il offre des vitesses de chauffage rapides, des temps de synthèse courts, un chauffage uniforme et une faible consommation d’énergie. La préparation de LiFePO4 à l'aide de la méthode micro-ondes implique un broyage à boulets de rapports stoechiométriques de Fe(CH3COO)2, Fe(CH2CHOHCOO)2·2H2O et Fe comme sources de fer avec Li2CO3 et NH4H2PO4 à l'aide de billes de zircone. Après séchage et pressage, les échantillons sont placés dans des creusets et chauffés dans un four micro-ondes domestique. Notamment, Fe(CH2CHOHCOO)2 n’absorbe pas les micro-ondes et ne réagit donc pas. Les résultats expérimentaux indiquent que le temps de chauffage aux micro-ondes est un facteur crucial dans la synthèse de LiFePO4. Les échantillons dérivés de Fe comme source de fer présentent des performances électrochimiques supérieures, avec une capacité de décharge initiale de 125 mAh/g à 60 °C et à une vitesse de 0,1 °C. En utilisant FeC2O4 comme matière première, en incorporant 15 % de poudre de graphite et en subissant un broyage, un pressage et une pré-décomposition, les échantillons sont ensuite placés dans un four à micro-ondes domestique de 500 W. L'analyse du temps de chauffe révèle son impact sur la structure et la morphologie de l'échantillon. LiFePO4 commence à se former après 5 minutes de chauffage, mais la structure cristalline est incomplète et en blocs. Un chauffage pendant 9 minutes entraîne des pics de diffraction nets, indiquant des cristaux bien développés avec la plus petite taille de grain. Cependant, un chauffage pendant 11 minutes conduit à la formation d'une phase d'impureté, Fe3(PO4)2, probablement due à une décomposition provoquée par un chauffage excessif. L'échantillon optimal obtenu après 9 minutes de chauffage par micro-ondes présente une structure cristalline complète avec la plus petite taille de grain et une capacité de décharge initiale de 148 mAh/g.
Méthode mécanochimique
La méthode mécanochimique est utilisée pour préparer des composés hautement dispersés. L'application d'une force mécanique décompose les particules, augmentant la surface de contact et introduisant des défauts de réseau, favorisant ainsi les réactions chimiques. En utilisant LiOH, FeC2O4 et (NH4)2HPO4 comme matières premières, des matériaux cathodiques LiFePO4 présentant d'excellentes performances électrochimiques sont préparés via un processus d'alliage mécanique. Le broyage à boulets de Fe3(PO4)2, Li3PO4 et de saccharose pendant 24 heures dans un broyeur planétaire à boulets utilisant des billes de zircone, suivi d'un traitement thermique à 500°C pendant 15 minutes sous atmosphère d'azote, conduit à la synthèse de LiFePO4. Le LiFePO4 traité thermiquement présente une structure cristalline complète avec un additif de carbone conducteur. Sa capacité de décharge spécifique à un taux de 0,2C est proche de la valeur théorique de 160mAh/g, démontrant d'excellentes performances de cyclage.
Conclusion
En résumé, les billes de zircone jouent un rôle important dans le processus de broyage des matériaux d’anode et de cathode des batteries au lithium, en particulier dans la préparation du phosphate de fer et de lithium. Leur application a permis à trois méthodes de préparation distinctes – la méthode de réduction carbothermique, la méthode de frittage par micro-ondes et la méthode mécanochimique – d’obtenir des résultats remarquables. En optimisant les paramètres du processus, ces méthodes ont permis de produire avec succès des matériaux au phosphate de fer et de lithium présentant des performances électrochimiques élevées, offrant ainsi un soutien solide à l'amélioration des performances et à la production industrielle de batteries au lithium . Avec l'avancement continu de la technologie et la poursuite des recherches, on s'attend à ce que l'application des billes de zircone dans le domaine des batteries au lithium devienne plus étendue, contribuant de manière significative au développement du nouveau secteur énergétique.
