Co-precipitation of Ni0.8Mn0.1Co0.1(OH)2 with a draft tube reactor
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2024-01-23
Department
Major/Subject
Chemical and Process Engineering
Mcode
CHEM3034
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
79 + 21
Series
Abstract
As the world moves towards cleaner and more sustainable energy solutions, the demand for lithium-ion batteries (LiBs) has surged due to their conclusive role in powering of electric vehicles (EVs), renewable energy systems, and portable electronic devices. Cathode active materials (CAMs) are the key components of LiBs since they have a vital effect on the overall performance of the battery. Different types of CAMs exhibit varying properties, such as energy density, power output, and lifespan. Preparation of CAM typically involves the synthesis of their precursors (pCAMs) via co-precipitation, followed by calcination with lithium salts. Producing of appropriate precursors is crucial as it influences the electrochemical performance of the resulting CAM. However, obtaining battery-grade pCAM is known to be challenging due to the sensitivity of the precipitation process and due to the several key characteristics of the product, such as particle mean size, morphology, and density, thus, more research on pCAM synthesis was needed. In this study, the most common CAMs were investigated to find out the most desirable state-of-the-art cathode chemistry for its pCAM synthesis. Nickel-rich precursor of LiNiMnCoO2 (NMC811) was chosen as the target chemistry due to its high energy density, good cyclability, and low cobalt content. Furthermore, the battery graded NMC811 precursor characteristics were explained as well as how the operational factors influence on the product quality. Factors affecting fluid motion, such as stirring speed, impeller type and reactor configuration, are one of the operating parameters that have an impact on particle size, shape and density of the pCAM product. As a part of Metso’s Precursor Development project, a draft tube circulator mounted inside a laboratory scale reactor was examined to see if it was possible to obtain battery grade pCAM. Draft tubes are known to improve fluid motion and hence the dispersion of the particles. The study showed that it can be possible to produce NMC811 precursors with good quality. In addition, four different impeller systems were studied among with different mixing velocities. Single axial impeller system at high stirring speed resulted in dense and spherical pCAM product with relatively low agitation duty.Maailman siirtyessä kohti kestävämpiä energiaratkaisuja, litiumioniakkujen kysyntä on kasvanut niiden ollessa sähköajoneuvojen, uusiutuvien energiajärjestelimien ja pienelektroniikan tehonlähteenä. Katodiaktiivimateriaalit ovat litiumakkujen avainkomponentteja, sillä niiden ominaisuudet vaikututtavat akun suorituskykyyn. Erityyppisillä katodiaktiivimateriaaleilla on erilaisia sähkökemiallisa ominaisuuksia, kuten energiatiheys, lähtoteho ja käyttöikä. Tyypillisesti katodiaktiivimateriaalin valmistukseen kuuluu prekursorin syntesisointi kerasaostuksella sekä niiden kalsinointi litiumsuolojen kanssa. Prekursorin tuottaminen on erityisen tarkkaa, koska se vaikuttaa suoraan katodimateriaalin sähkökemialliseen suorituskykyyn. Näin ollen prekursorilla on oltava tarkoin määritelty partikkelikoko, mopfologia ja tiheys. Akkulaatuisen prekursorin valmistus tiedetään olevan haastavaa saostusprosessin herkkyyden takia, minkä johdosta aihe vaati enemmän tutkimusta. Tässä työssä selvitettiin yleisimpien katodimateriaalien ominaispiirteitä, jotta voitiin päättää haluttu katodikemia sen prekursorivalmistuksen tutkimista varten. Nikkelirikas LiNiMnCoO2 (NMC811)-prekursori valikoitui kohdekemiaksi sen energiatiheyden, latautuvuuden ja matalan kobolttipitoisuuden ansiosta. Lisäksi selvitettiin akkulaatuisen NMC811-prekursorin tuoteominaisuudet sekä se, miten saostukseen vaikuttavat operatiiviset tekijät heijastuvat prekursorituotteen laatuun. Nesteen liikkeisiin vaikuttavat asiat, kuten sekoitusnopeus, sekoitintyyppi ja reaktorin muoto ovat operatiivisia parametrejä, joilla on vaikutus prekursorin tuoteominaisuuksiin. Tämä työ on osa Metson Precursor Development -projektia, jossa tutkittiin laboratoriomittakaavan vetoputkireaktoria prekursorin valmistuksessa. Vetoputken tiedetään parantavan nesteen liikettä ja siten myös kiintoaineiden levittymistä. Tutkimus osoitti, että akkulaatuista NMC811- prekursoria on mahdollista valmistaa vetoputkireaktorilla. Lisäksi haluttiin tietää, miten neljä erilaista sekoituskokonaisuutta vaikuttavat tuotteen laatuun. Tuloksista selvisi, että yksittäinen aksiaalinen sekoitin suurella kierrosnopeudella tuotti tiheitä ja pyöreitä prekursoripartikkeleita suhteellisen pienellä sekoitustehotarpeella.Description
Supervisor
Lundström, MariThesis advisor
Aromaa, JariKoponen, Markus
Keywords
precursor of LiNiMnCoO2, hydroxide co-precipitation, draft tube, NMC811