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锂电池材料工艺流程——正负极材料技术介绍1

 

   近年来3C产品对锂电池需求量的稳定增加,以及随着新能源汽车的市场规模逐步扩大和储能电池的需求扩大,我国锂电池产量规模逐年扩大。2017年的《电池行业“十三五”发展规划》明确了行业发展目标,力求提高国际竞争力,实现2025年前“化学与物理电源行业全面由生产大国向强国转变”的大目标;锂电池的关键原材料包括正极、负极、隔膜、电解液等,它们在动力电池、消费电池和储能电池市场都有广泛应用。正极材料成本约占总成本的35%,负极材料占总成本的比例为12%,隔膜材料占总成本的比例为12%,电解液材料占总成本的比例为13%;本文将深入探讨正极材料和负极材料在锂电材料行业中的工艺流程及商业模式等内容。

一、锂电池正极材料

                                  图1:锂电池正极材料


1、正极材料为层状过渡金属氧化物,正极是整个电池中可嵌脱锂离子的来源。主流的正极材料包括三元材料、磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂等;三元材料约占40%,磷酸铁锂约占41%。

2、正极材料中三元材料和磷酸锂在性能、寿命、安全性等方面综合优势相对于钴酸锂、锰酸锂较大;磷酸铁锂和三元材料各有优势,磷酸铁锂凭借低成本、循环寿命长、安全性较高等优势,产量增速预计保持高速增长;而三元材料具有成本高、循环寿命短、安全性差的缺陷,但在能量密度、低温性能方面更具优势。


3、正极材料工艺流程

图2:锂电池正极材料工艺

1)钠法制备磷酸铁工艺流程


                              图3   钠法制备FePO4工艺流程图

2)前驱体磷酸铁制备工艺、前驱体目前主流的三种工艺:钠法、氨法、铁粉法,区别是铁盐;其中,设备使用以钠法、氨法为相对较多,且两者生产设备差别不大;钠法制备磷酸铁的工艺是主沉淀反应。在反应釜里投入原材料之后,通过温度控制等会生成一个磷酸铁的沉淀,然后通过一系列的洗涤、压滤,把一些杂质给他洗掉,然后再烘干之后粉碎、包装。

 

 

图4  前驱体FEPO4工艺流程图


*自动化及自控产品配备:前驱体生产过程中目前以人工控制为主,同时会配备集成控制软件如DCS用于前半段化学反应阶段;配备低点数的PLC用于后半段的单机控制;产线设备上会配有少量低压变频器;另外搭配一些仪表的使用,主要是温度仪表。

图5:前驱体磷酸铁制备自动化及自控产品生产工艺讨论过程中

4、正极材料生产线组成及对应设备概览

                            图6:正极材料生产线组成及对应设备

1)在锂电池无机电极材料的制备中,正极材料常用工艺是高温固相反应,即使是采用溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法和溶剂热法等,通常仍需要在较高的温度下进行固相反应或固相烧结。

2)正极材料加工生产线主要包括混配系统、烧结系统、粉碎系统、水洗系统(仅高镍)、包装系统、粉体输送系统和智能控制系统。

3)正极材料设备主要包括计量与配料设备、混合设备、干燥设备、烧结窑炉、粉碎与分级设备、合批设备、除铁设备和包装计量设备,其中轨道窑价值量最高。

5、高温固相反应法制备磷酸铁锂

                        图7:高温固相反应法制备LiFePO4工艺流程图

1)优点:固相合成是较成熟的制备方法,操作及工艺路线设计简单,工艺参数易于控制,制备的材料性能稳定,易于实现工业化大规模生产。

2)缺点:粉体原料需要长时间的研磨混合,且混合均匀度有限;产物在组成、结构、粒度分布等存在较大差别。

6、碳热还原法制备磷酸铁锂

                    

                            

                          图8:碳热还原法制备LiFePO4SEM工艺流程图

1)优点:碳热还原法是能降低生产成本和颗粒大小,提高产物纯度和电导率的新型制备方法,解决了原料价格昂贵的问题,从而降低成本;生产过程简单可控制,一次烧结得到样品,提供了LiFePO4工业化的又一种途径, 能够广泛的应用于工业生产。

2)缺点:碳热还原法是一种新的制备磷酸铁锂的方法,还没有像高温固相法一样成熟且广泛应用。

7、常规NCM&高镍NCM三元材料

                       图6:常规NCM三元材料工业化生产的工艺流程图1

                       图7:高镍NCM三元材料工业化生产的工艺流程图2

*工艺区别:

(1)工艺流程方面:高镍三元材料增加了水洗工序;

(2)原材料方面:对于常规三元正极材料,一般采用碳酸锂作为锂源材料。高镍三元材料需要更高的能量密度、更好的充放电性能,普遍采用氢氧化锂作为锂源材料;

(3)生产设备方面:高镍三元材料尤其容易产生金属离子混排问题,需要尽量消除,因而需要在纯氧环境中生产,所以高镍产品的烧结需要氧气炉,而常规三元只需要空气炉;

(4)生产环境方面:高镍三元材料对于湿度要求更高,一般需要专用除湿、通风设备。在磁性物控制方面,高镍三元材料也有更高要求,往往需要对厂房设施进行特定改造。

8、钴酸锂、锰酸锂生产工艺流程

                         图8:锰酸锂及钴酸锂生产工艺流程图

 

 

 

 

 

发布时间:2024/2/11 9:29:10 查看:124次

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