Filtration and washing of precursor cathode active materials

Abstract

The development of cathode active materials and ethical questions set new requirements for their nickel-manganese-cobalt hydroxide and carbonate precursors. Smaller particle sizes, more-controlled morphology, and an emphasis on nickel and manganese in the chemical composition guarantee even better electrochemical performance of lithium-ion batteries. Especially small particle sizes limit the use of technologies in the solid-liquid separation stage of the precursor production process due to the decreasing permeability of liquid.

This thesis studies and compares industrial-scale filtration and washing technologies which could be suitable for the precursor cathode active materials with small particle sizes. In addition, filtration and washing theory is familiarized and utilized in the studying of the filterability and washing efficiency of the precursors with a piece of new laboratory-scale filtration equipment. The thesis applies a three-step to be standardized filtration and washing procedure to the precursors with varying solid properties and chemical compositions.

Both continuous and batch industrial-scale filtration and washing technology options that could be suitable for the precursors were found. From the filterability of the precursors, it was found that the median particle size affects the permeability of the slightly compressible filter cakes more than the width of particle size distribution. In addition, it was found that there is no dependence between the porosity and the specific cake resistance of the filter cakes. Filter cakes were washed relatively efficiently by the used procedure, and the differences in washing efficiency were estimated to be due to several factors, such as dewatering and cake thickness. The equipment is well suited for coarser precursors but limited when the median particle size was 1.7 µm.

Katodiaktiivimateriaalien kehittyminen ja eettiset kysymykset asettavat uusia vaatimuksia niiden esiasteille, joita ovat nikkeli-mangaani-kobolttihydroksidit ja -karbonaatit. Pienenevät partikkelikoot, kontrolloidumpi morfologia ja nikkelin ja mangaanin korostuminen kemiallisessa koostumuksessa takaavat yhä parempaa litiumioniakkujen sähkökemiallista toimintakykyä. Varsinkin pienenevät partikkelikoot aiheuttavat rajoitteita esiasteiden tuotantoprosessin kiintoaine-neste-erotuksessa käytettäville tekniikoille nesteläpäisevyyden heikentymisen takia.

Tässä diplomityössä tutkitaan ja vertaillaan teollisen mittakaavan suodatus- ja pesutekniikoita, jotka voisivat soveltua katodiaktiivimateriaalien esiasteille, joilla on pieni partikkelikoko. Lisäksi työssä perehdytään suodatus- ja pesuteoriaan, jota hyödynnetään esiasteiden suodatettavuuden ja pesutehokkuuden tutkimisessa uudella laboratoriomittakaavan suodatuslaitteistolla. Työssä sovelletaan standardisoitavaa kolmivaiheista suodatus- ja pesumenettelyä esiasteille, joilla on vaihtelevat kiintoaineominaisuudet ja kemialliset koostumukset.

Teollisen mittakaavan suodatus- ja pesutekniikoista löytyi sekä jatkuva- että panostoimisia vaihtoehtoja, jotka voisivat soveltua katodiaktiivimateriaalien esiasteille. Esiasteiden suodatettavuudesta selvisi, että mediaanipartikkelikoko vaikuttaa lievästi kokoonpuristuvien suodinkakkujen läpäisevyyteen enemmän kuin partikkelikokojakauman leveys. Lisäksi selvisi, että suodinkakkujen huokoisuuden ja ominaisvastuksen välillä ei ole riippuvuussuhdetta. Suodinkakut peseytyivät suhteellisen tehokkaasti käytetyllä menettelyllä, ja pesutehokkuuksien eroavaisuudet arvioitiin johtuvan useasta tekijästä, kuten vedenpoistosta ja kakun paksuudesta. Suodatuslaitteisto soveltuu hyvin karkeammille esiasteille, mutta rajoitteita asetti 1.7 µm mediaanipartikkelikoko.