Optimization and simulation of NMC-cathode material precursor production

Abstract

In this Thesis, simulation and optimization of the production process of lithium-ion cathode material’s precursor precipitate was studied by using Aspen Plus simulation software.

At the beginning of the thesis, the market for lithium-ion batteries, their outlook for the future and their chemical properties are introduced. Different cathode materials and parameters of certain processes for production of precursor precipitate are compared. The initial simulation environment was defined to correspond to the test design found from the literature, where a mixed hydroxide containing nickel, manganese and cobalt is precipitated by using ammonia as a chelating agent for metal cations and NaOH as a precipitant due to the prevalence of the use of those substances. The thermodynamic parameters required to successfully define the simulation have been estimated using HSC-software and the calculation to obtain the required values are presented in the section on the theoretical basis of the simulation.

Simulation based on existing data and calculations depicted in the section of theoretical basis is created and the outcome of simulated environment is compared to the literature results. MATLAB software has been used to solve the appropriate metal feed ratio by conducting a script with equilibrium constants found in the literature. Based on the constructed simulation model and the literature results, Aspen Plus software can reliably simulate the precipitation of precursor particles of NMC cathode material, although due to the lack of many substance-specific parameters, laboratory test are proposed to validate the simulation results. An experimental design for validating the simulated precipitation process is presented.

Työssä simuloitiin ja optimoitiin litium-ioniakkujen katodimateriaalien valmistuksessa käytettävän prekursorisakan tuotantoprosessia käyttäen Aspen Plus-simulointiohjelmistoa.

Työn alussa perehdytään litiumioniakkujen käyttömarkkinoihin, niiden tulevaisuuteen ja akkujen kemiallisiin ominaisuuksiin, sekä vertaillaan eri katodimateriaalivaihtoehtoja ja tapoja tuottaa katodimateriaalin esiasteena tarvittavaa prekursorisakkaa. Alustava simulaatioympäristö määriteltiin vastaamaan kirjallisuudessa esiintyvää koeasetelmaa, jossa nikkeliä, mangaania ja kobolttia sisältävää seoshydroksidia saostetaan käyttämällä ammoniakkia metallikationien kelataattina ja NaOH:a saostusaineena mainittujen aineiden käytön yleisyyden vuoksi. Simulaation onnistuneeseen määrittelyyn vaadittavat aineiden ideaalitilan muodostumisentalpiat ja Gibbsin energiat ideaalitilassa on estimoitu HSC-ohjelmistolla. Tarvittavien arvojen saamiseksi tehdyt laskelmat on esitelty simulaation teoreettista pohjaa koskevassa kappaleessa.

Simulaatio luodaan vallitsevien tietojen sekä tehtyjen pohjustavien laskelmien perusteella ja tuloksia verrataan kirjallisuudessa esiintyviin tuloksiin. MATLAB-ohjelmistoa on käytetty sopivan syöttösuhteen löytämiseen muodostamalla matemaattinen malli tutkittavasta prosessisysteemistä kirjallisuudesta saatujen tasapainovakioiden avulla. Tehdyn simulaatiomallin ja kirjallisuustuloksien vertailun perusteella Aspen Plus-ohjelmistolla on mahdollista simuloida uskottavasti NMC-katodimateriaalin prekursoripartikkeleiden saostumista, joskin useiden ainekohtaisten parametrien puuttumisen vuoksi laboratoriokokeita ehdotetaan simulaation tulosten validoimiseksi. Saostusprosessin validoimiseksi on esitetty koesuunnitelma.