共沉淀法制备NCM三元正极材料的优化模型研究

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基本信息

  • 批准号：
    21808234
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    28.0万
  • 负责人：
    耿淑君
  • 依托单位：
    中国科学院青岛生物能源与过程研究所
  • 学科分类：
    B0814.产品工程与材料化工
  • 结题年份：
    2021
  • 批准年份：
    2018
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Ni, Co, Mn (NCM) ternary material is one of the most promising cathode materials for lithium-ion batteries. With the upgrading of industry, varieties of cathode materials with new NCM proportions should be developed urgently. NCM cathode material can be prepared by co-precipitation method with high efficiency and low energy consumption. Nevertheless, the co-precipitation process has been mainly optimized empirically, which is blind, costly and time-consuming. The aim of this project is to establish a scientific optimization method including the flow structure of reactor and the mechanism of co-precipitation reaction, thereby conducting co-precipitation process quickly and accurately. The specific research contents include four parts: (1) By combining the fluid dynamics of the reactor investigated through CFD simulations with the pattern and structure characteristics of the precursor obtained through experiments, the qualitative relationships between hydrodynamics and precursor feature will be clarified; (2) By means of analyzing co-precipitation mechanism and establishing equilibrium thermodynamic equations, the quantitative variations of the metal-ion for different operation conditions will be obtained; (3) Furthermore, after measuring reaction equilibrium constants for different temperatures, the mathematical optimization model of co-precipitation reaction under operation temperature will be built. (4) Eventually, by integrating hydrodynamic with thermodynamic models together, a scientific optimization method for co-precipitation process will be established and validated. This project is expected to scientifically optimize co-precipitation and help to develop high-performance cathode materials, and thus promote the development of energy power batteries.
镍、钴、锰（NCM）三元材料是最具潜力的锂电池正极材料之一。随着产业升级，多种新型配比的NCM材料亟待开发。共沉淀法可高效、低能耗制备NCM正极材料，目前主要采取经验性尝试的方法进行优化，盲目性强、花费高且周期长。为快速准确地指导该过程，本项目力求建立包含反应器流动结构和共沉淀反应机理的科学优化方法。具体研究内容主要包括四个部分：1）采用CFD数值模拟考察反应器中流体力学特性，并结合共沉淀实验所得前驱体形貌结构特征，阐明流场对前驱体的影响规律与作用机理；2）分析共沉淀反应机理，建立化学热力学平衡，获得金属离子浓度随工艺条件变化的定量规律；3）测定不同温度下各反应平衡常数，建立适用于操作温度下共沉淀过程的优化数学模型；4）结合流场影响规律，建立共沉淀过程的科学优化方法，并进行实验验证。本项目的成功实施将有助于科学指导优化共沉淀过程，有利于开发高性能的NCM正极材料，促进能源动力电池的发展。

结项摘要

镍、钴、锰（NCM）三元材料是最具潜力的锂电池正极材料之一。共沉淀法可高效、低能耗制备NCM正极材料，然而目前主要采取经验性尝试的方法进行优化，盲目性强、花费高且周期长。为快速准确地指导该过程，本项目通过实验室实验、CFD 数值模拟和理论分析等方法对共沉淀反应过程中流动及反应进行研究，研究了反应器结构对流动特性及反应的耦合影响，揭示了共沉淀反应器中流动与反应之间的内在关系，通过对共沉淀过程进行热力学分析及实验测定,总结出金属离子浓度比随操作条件的变化规律。重要研究结果包括：（1）随着安装高度减小，直径较小的搅拌桨更容易由双循环流型转变为单循环流型，如果排出流首先遇到搅拌槽的内壁，那么将会形成双循环流型，如果排出流首先遇到搅拌槽的底部，那么将会形成单循环流型；（2）研究表明，PT桨是制备振实密度超过2.0 g/ml的球形致密的Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2前驱体的最佳选择，PT-NCM622具有最高的比放电容量，这是由于不同搅拌桨在反应器中所激发的流场不同，不同的流场提供了不同的晶体成核和生长环境；（3）通过热力学平衡分析，得到未沉淀[Ni]/[Co]和[Co]/[Mn]随pH和氨水浓度的变化，首次定量得出制备Ni1−x−yCoxMny(OH)2前驱体的理论最佳条件；（4）通过pH电位滴定实验及理论计算得到不同温度下的Ni(OH)2、Co(OH)2、Mn(OH)2活度积常数。.发表重要期刊论文10篇，国内会议论文2篇，授权中国发明专利2项，申请中国发明专利2项，申请PCT国际专利2项，其中一项进入美国，另一项进入美国和德国，培养出站博士后2名，毕业硕士1名，在读博士1名。本项目的成功实施将有助于科学指导优化共沉淀过程，有利于开发高性能的NCM正极材料，促进能源动力电池的发展。

项目成果

期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Hydrodynamics and mass transfer in a slurry external airlift loop reactor integrating mixing and separation
混合与分离相结合的浆料外部气升环流反应器中的流体动力学和传质
  • DOI：
    10.1016/j.ces.2019.115294
  • 发表时间：
    2020-01-16
  • 期刊：
    CHEMICAL ENGINEERING SCIENCE
  • 影响因子：
    4.7
  • 作者：
    Geng, Shujun;Li, Zhuo;Huang, Qingshan
  • 通讯作者：
    Huang, Qingshan
Effect of impeller type on preparing spherical and dense Ni1-x-yCoxMny(OH)2 precursor via continuous co-precipitation in pilot scale: A case of Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2
叶轮类型对中试连续共沉淀制备球形致密 Ni1-x-yCoxMny(OH)2 前驱体的影响：以 Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2 为例
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    Electrochimica Acta
  • 影响因子：
    6.6
  • 作者：
    Quanhong Zhu;Hang Xiao;Ruchao Zhang;Shujun Geng;Qingshan Huang
  • 通讯作者：
    Qingshan Huang
Experimental investigation of hydrodynamics and mass transfer in a slurry multistage internal airlift loop reactor
浆态多级内气升环流反应器流体动力学和传质实验研究
  • DOI：
    10.1016/j.cej.2019.122769
  • 发表时间：
    2020-04
  • 期刊：
    Chemical Engineering Journal
  • 影响因子：
    15.1
  • 作者：
    Jinliang Tao;Jiangang Huang;Shujun Geng;Fei Gao;Taobo He;Qingshan Huang
  • 通讯作者：
    Qingshan Huang
Influences of direction and magnitude of Mg2+ doping concentration gradient on the performance of full concentration gradient cathode material
Mg2掺杂浓度梯度方向和大小对全浓度梯度正极材料性能的影响
  • DOI：
    10.1007/s10008-021-04984-0
  • 发表时间：
    2021-06
  • 期刊：
    Journal of Solid State Electrochemistry
  • 影响因子：
    2.5
  • 作者：
    Jinliang Tao;Aining Mu;Shujun Geng;Hang Xiao;Letian Zhang;Qingshan Huang
  • 通讯作者：
    Qingshan Huang
Modeling of Microbubble Flow and Coalescence Behavior in the Contact Zone of a Dissolved Air Flotation Tank Using a Computational Fluid Dynamics–Population Balance Model
使用计算流体动力学-群体平衡模型对溶气浮选罐接触区的微泡流动和聚结行为进行建模
  • DOI：
    10.1021/acs.iecr.9b03604
  • 发表时间：
    2019-08
  • 期刊：
    Industrial & Engineering Chemistry Research
  • 影响因子：
    4.2
  • 作者：
    Chen Aqiang;Yang Wensan;Geng Shujun;Gao Fei;He Taobo;Wang Zhenbo;Huang Qingshan
  • 通讯作者：
    Huang Qingshan

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其他文献

喷射反应器内气液两相流体动力学特征
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    化工进展
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  • 作者：
    陈阿强;黄青山;耿淑君;杨超
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    杨超
共沉淀法制备LiNi1-x-yCoxMnyO2正极材料工艺条件探究
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    2018
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  • 作者：
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    杨超
固相粘度模型对A类颗粒鼓泡流化特性CFD模拟结果的影响
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  • 作者：
    贾峥瑞;耿淑君;刘晓星;李振花;马新宾
  • 通讯作者：
    马新宾

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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