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ジルコニアビーズは、リチウムイオン電池のアノードとカソードの材料を粉砕する際に使用されます。以下は、ジルコニアビーズを使用してリン酸鉄リチウム (LiFePO4) を調製する 3 つの方法です。

炭素熱還元法

炭素熱還元法は、炭素の還元特性を利用して Fe3+ を還元すると同時に、LiFePO4 の表面に炭素コーティングを形成します。この炭素コーティングは、粒子の凝集を防ぎ、粒子間の接触を増やし、電気伝導性を向上させます。その利点の 1 つは、合成中に強力な還元雰囲気を作り出すことで、鉄源として 2 価鉄化合物だけでなく 3 価鉄化合物も使用できるため、コストが削減されます。米国の Valence や蘇州恒正などの企業は、LiFePO4 の製造にこの方法を採用しています。この方法は、1 回の焼結でサンプルが得られる、シンプルで制御可能な製造プロセスという利点があり、LiFePO4 の工業化の代替ルートを提供します。Fe2O3、Li2CO3、NH4H2PO4、カーボンブラックを原料として、炭素熱還元法で LiFePO4/C 粉末を製造します。不活性雰囲気中700℃で合成されたLiFePO4/Cは、優れた結晶性と150mAh/gの高い初期充放電容量を示します。鉄源として酸化鉄を使用し、炭素熱還元法を使用してリン酸鉄リチウム正極材料を調製する研究では、反応メカニズムが探求されました。反応では、Fe2O3 → Fe3O4 → FeOであり、FeOは600℃でLiH2PO4と反応してLiFePO4を形成します。原料としてCH3COOLi、NH4H2PO4、Fe(CH3COO)2、クエン酸を使用し、ボールミル、乾燥、プレス、焼結により目的の製品が得られます。このサンプルは優れた電気化学性能を示し、0.2Cレートでの初期放電容量は148mAh/gで、50サイクル後の容量損失率はわずか3％です。焼結温度、焼結時間、炭素含有量の3つのプロセス要因が電気化学性能に与える影響を研究しました。最適化された実験により、最適なプロセス条件は炭素含有量12%、焼結温度750°C、15時間であることがわかりました。この条件で合成されたサンプルは、初期充放電容量が140mAh/g、80サイクル後の容量保持率が97%と、最高の電気化学性能を示しました。

マイクロ波焼結法

マイクロ波焼結法は、浸透力が強いという特徴があり、物体の表面と中心部を同時に加熱して均一な熱分布を実現します。他の加熱方法と比較して、加熱速度が速く、合成時間が短く、加熱が均一で、エネルギー消費が少ないという特徴があります。マイクロ波法によるLiFePO4の調製では、ジルコニアビーズを使用して、鉄源としてFe(CH3COO)2、Fe(CH2CHOHCOO)2·2H2O、およびFeの化学量論比をLi2CO3およびNH4H2PO4とボールミル処理します。乾燥および圧縮後、サンプルをるつぼに入れ、家庭用電子レンジで加熱します。特に、Fe(CH2CHOHCOO)2はマイクロ波を吸収しないため、反応しません。実験結果から、マイクロ波加熱時間はLiFePO4の合成において重要な要素であることがわかりました。鉄源として Fe から得られたサンプルは、60°C および 0.1C レートでの初期放電容量が 125mAh/g と、優れた電気化学的性能を示します。原料として FeC2O4 を使用し、15% のグラファイト粉末を組み込み、粉砕、プレス、および予備分解を行ったサンプルを、家庭用の 500W 電子レンジに入れます。加熱時間を分析すると、サンプルの構造と形態への影響が明らかになります。LiFePO4 は 5 分間の加熱後に形成され始めますが、結晶構造は不完全でブロック状です。9 分間加熱すると、鋭い回折ピークが得られ、結晶サイズが最も小さい、よく発達した結晶であることがわかります。ただし、11 分間加熱すると、過度の加熱による分解が原因で、不純物相 Fe3(PO4)2 が形成されます。9 分間の電子レンジ加熱後に得られた最適なサンプルは、結晶サイズが最も小さい完全な結晶構造を示し、初期放電容量は 148mAh/g です。

メカノケミカル法

メカノケミカル法は、高分散化合物の調製に採用されています。機械的な力を加えると粒子が分解され、接触面積が増加して格子欠陥が導入され、化学反応が促進されます。LiOH、FeC2O4、および(NH4)2HPO4を原料として、メカニカルアロイングプロセスにより、優れた電気化学性能を持つLiFePO4正極材料が製造されます。Fe3(PO4)2、Li3PO4、およびスクロースをジルコニアビーズを使用した遊星ボールミルで24時間ボールミル処理し、窒素雰囲気下で500°Cで15分間熱処理すると、LiFePO4が合成されます。熱処理されたLiFePO4は、導電性カーボン添加剤を含む完全な結晶構造を示します。0.2Cレートでの比放電容量は理論値の160mAh/gに近く、優れたサイクル性能を示しています。

結論

要約すると、ジルコニアビーズは、リチウム電池のアノードとカソード材料の粉砕プロセス、特にリン酸鉄リチウムの製造において重要な役割を果たしています。その応用により、炭素熱還元法、マイクロ波焼結法、機械化学法という3つの異なる調製方法が顕著な結果を達成できるようになりました。プロセスパラメータを最適化することにより、これらの方法は高い電気化学的性能を持つリン酸鉄リチウム材料の製造に成功し、リチウム電池の性能向上と工業生産を強力にサポートしています。技術の継続的な進歩とさらなる研究により、リチウム電池分野でのジルコニアビーズの応用はさらに広がり、新エネルギー分野の発展に大きく貢献することが期待されます。