تُعد طريقة الحالة الصلبة حاليًا واحدة من أكثر العمليات نضجًا وانتشارًا في مجال التصنيع مواد الكاثود من فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4). باستخدام فوسفات الحديد وكربونات الليثيوم كمواد خام أساسية، تحقق هذه العملية إنتاجًا واسع النطاق من خلال عمليات الخلط الدقيقة، والطحن الرطب، والتلبيد الاختزالي بدرجة حرارة عالية، والمعالجة اللاحقة. فيما يلي شرح مفصل لسير العمل التصنيعي ونقاط التحكم الرئيسية لكل مرحلة:
الخلط والتحضير على دفعات
بعد الفحص والتخزين، تُخزَّن المواد الخام، مثل فوسفات الحديد وكربونات الليثيوم والجلوكوز والمواد المضافة (عوامل التوصيل)، مؤقتًا في مستودع المواد الخام. يُورَّد فوسفات الحديد وكربونات الليثيوم في أكياس سعة طن. تُوضع هذه الأكياس أولًا على سطح الصومعة. باستخدام أدوات القطع الداخلية، يُقطع قاع الكيس للسماح للمواد بالسقوط داخل الصومعة. تُوزن المواد المخزنة مؤقتًا في الصومعة وفقًا للتركيبة في خزان الخلط. يُضاف الجلوكوز وعوامل التوصيل مباشرةً إلى خزان الخلط.
أثناء تفريغ مواد مثل فوسفات الحديد وكربونات الليثيوم، يتولد الغبار. عند التغذية، يتم تفعيل منفذ العادم لجمع الغبار المتولد عند مخرج المواد. يُعاد الغبار المجمع إلى عملية الخلط، ويستقر غاز العادم النقي في ورشة العمل.
مطحنة تقليب و طحن
تُستخدم عملية رطبة لخلط المواد. بعد وضع فوسفات الحديد، وكربونات الليثيوم، والجلوكوز، والماء النقي، والمواد الموصلة في خزان الخلط، تتشكل عجينة تُضخ إلى مطحنة تقليب. تُستخدم كرات الزركونيا المؤكسدة للطحن والخلط لتقليل حجم الجسيمات إلى أقل من 50 مش. ثم تُنقل العجينة إلى مطحنة رملية لمزيد من الطحن حتى يصبح حجم الجسيمات أقل من 100 مش.
أثناء عملية الإنتاج، يُستخدم الماء المثلج لتبريد مطحنة التقليب ومطحنة الرمل للحفاظ على المواد عند درجة حرارة منخفضة. يُعاد الماء المثلج إلى حوض تبريد متداول وبرج تبريد، حيث يُبرد ويُعاد استخدامه دون تصريف. كما يُبرد الماء المثلج مرة أخرى بواسطة نظام تبريد لإعادة استخدامه. ولأن مطحنة التقليب ومطحنة الرمل تعملان في نظام مغلق مع مواد رطبة، فلا يتولد أي غبار. مع ذلك، تُصدر عمليات التقليب والطحن وبرج التبريد بعض الضوضاء.
التجفيف بالرش
يُضخّ الطين المطحون إلى مجفف رذاذ. في أعلى البرج، يقوم مرذاذ طرد مركزي عالي السرعة برشّ الطين على شكل قطرات دقيقة، تتلامس مع الهواء الساخن في وقت قصير جدًا، لتجفّ وتتحول إلى مسحوق شبه جاهز. يستخدم المجفف الغاز الطبيعي كمصدر للحرارة. يُسخّن الهواء الساخن داخل المجفف ويدخل إلى موزع الهواء في أعلى حجرة التجفيف. يدخل الهواء الساخن حجرة التجفيف بشكل حلزوني ليصل إلى درجة حرارة 320 درجة مئوية.
تُفرغ جميع المواد نصف المصنعة باستمرار من أسفل برج التجفيف وجهاز تجميع الغبار الإعصاري. يُسحب غاز العادم بواسطة مروحة إلى مرشح أكياس لإزالة الغبار. يُعاد الغبار المُجمّع بواسطة مرشح الأكياس إلى عملية التجفيف. يُصرّف غاز العادم المُنقّى عبر مدخنة بارتفاع 25 مترًا. يبلغ حجم مسام مرشح الأكياس أقل من 0.1 ميكرومتر. تبلغ درجة حرارة غاز العادم الداخل والخارج حوالي 100 درجة مئوية؛ لا يتكثف بخار الماء إلى قطرات ولا يؤثر على مرشح الأكياس. يُصدر مجفف الرذاذ ضوضاء أثناء التشغيل.
التلبيد
تُنقل المادة التي يجمعها جهاز تجميع الغبار بالرش عبر أنبوب مغلق إلى عملية التلبيد باستخدام التغذية بالشفط، دون إنتاج أي غبار. تُلبّد المادة في فرن أسطواني مغلق. تُضبط درجات حرارة التلبيد في مناطق مختلفة وفقًا لعملية التلبيد، وتتراوح عادةً بين 700 و800 درجة مئوية (يستخدم الفرن الأسطواني التسخين الكهربائي). تُوضع المواد في بوتقات من الجرافيت (دون توليد غبار) على الأسطوانة. يؤدي دوران الأسطوانة إلى تحريك البوتقات للأمام، مُكملاً بذلك عملية التلبيد.
أثناء عملية التلبيد، يُختزل الحديد الثلاثي إلى حديد ثنائي التكافؤ. يُضخ غاز النيتروجين عالي النقاوة، المُحضر بواسطة مولد نيتروجين، إلى فرن التلبيد لتوفير جو خامل. يُصنّع LiFePO₄ عند درجة حرارة عالية بنسبة تحويل تفاعل تبلغ 99.9% (بناءً على LiFePO₄)، ويكون مردود LiFePO₄ هو 99.5%.
آلية التفاعل الرئيسية هي كما يلي:
- تحلل كربونات الليثيوم مع إطلاق ثاني أكسيد الكربون:
Li₂CO₃ → Li₂O + CO₂ - يتحلل الجلوكوز إلى كربون وماء في ظل جو خامل:
C₆H₁₂O₆ → 6C + 6H₂O - يتفاعل فوسفات الحديد مع الليثيوم في وجود الكربون لتكوين LiFePO₄:
2FePO₄ + Li₂O + 6C → 2LiFePO₄ + 5C + CO
رد الفعل العام:
2FePO₄ + Li₂CO₃ + C₆H₁₂O₆ → 2LiFePO₄ + 5C + CO₂ + CO + 6H₂O
بعد عملية التلبيد، يتم تبريد المادة وإرسالها إلى قسم التكسير و تصنيف يستخدم قسم ما بعد التلبيد في فرن الدرفلة غلافًا لتدوير الماء وتبريدًا هوائيًا. يتم تبريد الماء المتداول بواسطة برج تبريد من الألياف الزجاجية، ثم يُعاد استخدامه.
أثناء عملية التلبيد، تحدث تفاعلات جانبية نتيجة لتحلل الجلوكوز:
C₆H₁₂O₆ → 6C + 6H₂O
C + CO₂ → 2CO
يستخدم مولد النيتروجين تقنية فصل الهواء، حيث يستخدم الهواء كمادة خام ومناخل جزيئية كربونية كمواد ماصة. ويعمل عن طريق امتزاز تأرجح الضغط، حيث يمتص الأكسجين والنيتروجين بشكل انتقائي لفصلهما. ويصدر صوت أثناء تشغيل مولد النيتروجين.
تُنتج تفاعلات التلبيد كميات كبيرة من بخار الماء، وأول أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، وكميات ضئيلة من المركبات المتطايرة الناتجة عن التحلل غير الكامل للجلوكوز، والتي تدخل إلى نظام حرق عوادم التلبيد. تُشعل هذه العوادم بالغاز الطبيعي وتُصرف عبر مدخنة ارتفاعها 15 مترًا. تشمل ملوثات عوادم الاحتراق الغبار، وثاني أكسيد الكبريت، وأكاسيد النيتروجين. تُستعاد الحرارة المهدرة من الاحتراق لتسخين الهواء مسبقًا في عملية التجفيف بالرش.
الطحن النفاث
تُنقل المادة بعد التلبيد إلى عملية الطحن النفاث لتفتيتها. ويُستخدم في هذه العملية مطحنة نفاثة ذات طبقة مميعة. يُسرّع الهواء المضغوط عبر أربع فوهات لافال تحيط بحجرة الطحن لتشكيل تدفق هواء فوق صوتي. في منطقة الطحن، تتصادم الجزيئات عند نقاط تقاطع الفوهات، مما يؤدي إلى تفتيتها.
تُحمل المواد الأرضية بواسطة تدفق الهواء الصاعد إلى منطقة التصنيف. بسرعة عالية مُصَنِّف تفصل العجلة الجزيئات الدقيقة، التي تُجمع بواسطة فواصل إعصارية ومرشحات كيسية. تعود الجزيئات الخشنة إلى منطقة الطحن لمزيد من المعالجة. تُصفّى غازات العادم ويُعاد تدويرها عبر التوربين المروحي إلى المطحنة؛ حيث يُعاد استخدام الغازات ولا تُصرّف. تُنقل المواد التي جُمعت بواسطة الفواصل الإعصارية والمرشحات الكيسية إلى العملية التالية. تعمل عملية الطحن النفاث في حلقة مغلقة، فلا تُنتج أي انبعاثات غبار.
الفصل المغناطيسي والحجب
تُركّب فواصل وشاشات كهرومغناطيسية لفصل المساحيق الجافة أسفل مطحنة النفث. تسقط المواد التي يتم جمعها بواسطة مرشحات الإعصار والأكياس في هذه الأجهزة لإزالة الحديد وغربلتها للتخلص من الشوائب المغناطيسية. تُغلق حاوية إزالة الحديد بإحكام. بعد الغربلة وإزالة الحديد، تدخل المواد إلى آلة تعبئة بالتفريغ. هذه العملية مغلقة تمامًا، ولا تُنتج أي غبار باستثناء كميات ضئيلة من خبث الحديد، الذي يُجمع ويُعاد تدويره.
التغليف بالتفريغ الهوائي
يُغذّى المنتج المسحوق تلقائيًا إلى آلة تغليف بالتفريغ الهوائي لإحكام إغلاقه. يُفرغ الهواء من داخل كيس التغليف، حاملاً معه كمية صغيرة من المسحوق. يُجمع الغبار المتولد أثناء التغليف بالتفريغ الهوائي بواسطة فلتر الكيس المدمج في غرفة التغليف المغلقة. بعد المعالجة، يستقر العادم في ورشة العمل.
خاتمة
بشكل عام، بدءًا من عملية الخلط والمزج الدقيقة وصولًا إلى التعبئة النهائية بالتفريغ الهوائي، تخضع جميع مراحل إنتاج فوسفات الحديد الليثيوم الصلب لترابط وثيق ورقابة صارمة. ومن خلال الإدارة الدقيقة للمراحل الحرجة، مثل حجم جزيئات الطحن، وجو التلبيد، وإزالة الحديد المغناطيسي، يتم ضمان جودة ونقاء مادة الكاثود النهائية بكفاءة عالية.
“شكراً لقراءتكم. أتمنى أن يكون مقالي مفيداً. يُرجى ترك تعليق أدناه. كما يمكنكم التواصل مع ممثل خدمة عملاء زيلدا عبر الإنترنت لأي استفسارات أخرى.
— نشر بواسطة إميلي تشين
“"“
