NMC532 (NCM523) הוא חומר סוללה מתקדם השולט במדויק ביחס של ניקל, מנגן וקובלט ביחס של 5:2:3, שנועד לאזן בין צפיפות אנרגיה, אורך חיים, בטיחות ועלות. זהו כיום אחד החומרים הטרינריים הנפוצים ביותר והמתקדמים ביותר מבחינה טכנולוגית בשוק.
1. מבנה ועקרון עבודה שלNMC532
ל-NMC532 מבנה שכבתי מסוג α-NaFeO₂. במבנה זה:
יוני ליתיום ממוקמים בין השכבות.
יוני ניקל, מנגן וקובלט, יחד עם יוני חמצן, יוצרים את המבנה השכבתי.
במהלך טעינת הסוללה, יוני ליתיום מופקים מהשכבה הבין-כימית, עוברים דרך האלקטרוליט ומשתלבים באנודה (בדרך כלל גרפיט). במהלך הפריקה, התהליך הפוך. ניקל וקובלט עוברים שינויים במצבי חמצון במהלך תהליך זה, ומשמשים כחומרים הפעילים אלקטרוכימית העיקריים האחראים על אספקת קיבולת ומוליכות.
2. תכונות ויתרונות עיקריים
NCM523 פופולרי משום שהוא משיג איזון מצוין במספר מדדי ביצועים מרכזיים:
צפיפות אנרגיה גבוהה: הודות לתכולת הניקל של 50%, היא מציעה קיבולת הפיכה גבוהה (בדרך כלל בין 155-165 מיליאמפר/גרם), מה שמאפשר לסוללה לאגור יותר חשמל.
אורך חיים מעולה: נוכחותו של מנגן (מינסוטה) מסייעת בייצוב מבנה הגביש של החומר, בעוד שקובלט (מְשׁוּתָף) משפר את המוליכות ואת ביצועי קצב הטעינה של החומר. ההשפעה הסינרגטית של שלושת אלה מבטיחה שהסוללה תשמור על קיבולת גבוהה גם לאחר מחזורי טעינה-פריקה מרובים.
בטיחות משופרת: בהשוואה ל-NCM עם תכולת ניקל גבוהה יותר (כגון NCM811), NCM523 מציג תגובתיות נמוכה יותר, יציבות תרמית טובה יותר ויציבות מבנית משופרת, ובכך מפחית את הסיכון לבריחת חום.
ביצועי קצב מצוינים: מסוגל לתמוך בזרמי טעינה ופריקה גבוהים כדי לעמוד בדרישות טעינה מהירה.
יעילות כלכלית: בהשוואה ל-NCM111 או NCM622 עם תכולת קובלט גבוהה יותר, כמו גם ל-NCM811 - המציע צפיפות אנרגיה גבוהה יותר אך כרוך בתהליכים מורכבים ודרישות ייצור מחמירות - NCM523 משיג איזון אופטימלי בין עלויות החומר לתהליכי הייצור, ומספק ביצועי עלות גבוהים.
3. אזורי יישום אופייניים
חומר זה משמש בעיקר בתחומים הדורשים צפיפות אנרגיה גבוהה ואורך חיים ארוך, כולל:
כלי רכב חשמליים: חומר הקתודה המועדף עבור סוללות חשמל של דגמים חשמליים רבים.
אופניים/אופנועים חשמליים: מציעים סיבולת לאורך זמן וביצועים אמינים.
מערכות אחסון אנרגיה בקנה מידה גדול, כגון אחסון אנרגיה ברשת החשמל ואחסון אנרגיה ביתי, דורשות דרישות גבוהות ביותר מבחינת אורך חיים ובטיחות.
מוצרי אלקטרוניקה צרכניים יוקרתיים: כגון מחשבים ניידים, רחפנים וכלי עבודה חשמליים יוקרתיים.
ייצור ואתגרים של NMC532
תהליך הסינתזה: החומר המקור (ני₀) מוכן בעיקר בשיטת משקעים משותפים (₅מינסוטה₀, ₃מְשׁוּתָף₀, ₂) (אוה)₂, ולאחר מכן עובר סינטור במצב מוצק בטמפרטורה גבוהה עם מלחי ליתיום (כגון לי₂מְשׁוּתָף₀∝ או LiOH).
4. אתגרים טכניים:
פיזור אחיד של יסודות: הבטחת ערבוב אחיד של ניקל, מנגן וקובלט ברמה האטומית בחומר היא קריטית, שכן כל הפרדה עלולה להוביל לפגיעה מקומית בביצועים.
שינוי פני השטח: על מנת לשפר עוד יותר את הביצועים, חלקיקי NMC532 מצופים לעתים קרובות על פני השטח (כגון אל₂O₃, ZrO₂) כדי לדכא תגובות לוואי ושטיפת מתכות מעבר.
שליטה על ערבוב קטיונים: על ידי שליטה מדויקת בטמפרטורת הסינטור ובאטמוספרה, אפקט הייצוב של קובלט ממקסם וערבוב הניקל מדוכא.
5. מיקומו של NMC532 במפת הדרכים הטכנולוגית של NMC
נתיב הפיתוח של חומרי קתודה NMC ברור מאוד: הגדלה מתמדת של תכולת הניקל והפחתה של תכולת הקובלט.
נתיב האבולוציה:
NMC111 (1:1:1) → NMC332 (5:3:2) → NMC622 (6:2:2) → NMC811 (8:1:1) → NCMA (ניקל קובלט מנגן אלומיניום, תכולת ניקל 90%)
בנתיב זה, NMC532 מהווה נקודת מעבר ושיווי משקל קריטית. הוא הצליח להעלות את צפיפות האנרגיה לרמה חדשה תוך שמירה על בטיחות ומחזור חיים מקובלים, ובכך הניחה את היסודות הטכנולוגיים והשוקיים להתפתחות לעבר ניסוחים בעלי ריכוז ניקל גבוה יותר.
