常見的鋰離子電池正極材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元正極材料，三元正極材料具有更平衡的成本、能量密度、循環(huán)和安全性能優(yōu)勢(shì)，成為電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車等產(chǎn)品的主要選擇，尤其是在乘用車領(lǐng)域。

三元正極材料的性能和成本主要取決于生產(chǎn)技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的選擇。與日本和韓國一流的鋰離子電池制造商相比，中國的生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備水平與急需轉(zhuǎn)型升級(jí)的日本和韓國相去甚遠(yuǎn)。那么，三元正極材料生產(chǎn)中使用的關(guān)鍵設(shè)備是什么？

 

三元正極材料的工業(yè)化生產(chǎn)

目前，三元正極材料工業(yè)化生產(chǎn)中使用的主流生產(chǎn)技術(shù)是：共沉淀法制備前驅(qū)體，然后與鋰源固相燒結(jié)三元負(fù)極材料混合。

 

前驅(qū)體關(guān)鍵設(shè)備的準(zhǔn)備

反應(yīng)釜

反應(yīng)器是前驅(qū)體反應(yīng)的核心設(shè)備。反應(yīng)器本體尺寸、攪拌器形式、擋板數(shù)量和尺寸、是否有導(dǎo)流管、進(jìn)料位置、是否有強(qiáng)化裝置等結(jié)構(gòu)特征會(huì)影響前體的密度、形態(tài)、比表面積、結(jié)晶度、粒度和分布。

過濾和洗滌設(shè)備

過濾洗滌設(shè)備的作用是對(duì)反應(yīng)得到的前驅(qū)體漿液進(jìn)行固液分離，然后用洗滌液洗滌前驅(qū)體濾餅，去除濾餅中殘留的硫酸鹽、氯化物和鈉離子。

 

 

目前，前驅(qū)體生產(chǎn)企業(yè)大多采用過濾洗滌一體化設(shè)備，主要包括壓濾機(jī)、離心機(jī)、微孔過濾器、過濾洗滌“二合一”設(shè)備等。

 

干燥設(shè)備

干燥過程決定了前驅(qū)體產(chǎn)品的含水量，對(duì)晶體結(jié)構(gòu)有一定的影響。因此，這是一個(gè)重要的過程。干燥設(shè)備能否正確選擇，直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量、運(yùn)行環(huán)境和生產(chǎn)成本。前驅(qū)體濾餅在空氣中的干燥溫度應(yīng)低于150℃。當(dāng)溫度達(dá)到400℃時(shí)，前驅(qū)體被氧化為三價(jià)氧化物。

目前，常用的前驅(qū)體干燥設(shè)備包括熱風(fēng)循環(huán)烘箱、盤式干燥器、閃蒸干燥器、轉(zhuǎn)鼓干燥器等。

 

三元正極材料生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備

攪拌設(shè)備

在三元正極材料生產(chǎn)中，混合是將化學(xué)計(jì)量比的鋰鹽、前體和添加劑加入到混合設(shè)備中進(jìn)行均勻混合。均勻性將影響鋰和添加劑在燒結(jié)過程中的均勻性，直接影響三元陰極材料的結(jié)晶程度和殘留堿，最終體現(xiàn)在電財(cái)產(chǎn)上。

三元正極材料最終鋰比的穩(wěn)定性取決于原料稱重的準(zhǔn)確性，均勻性取決于混合器的混合效果。

混合通常分為濕法混合和干法混合，三元正極材料通常采用干法混合。目前，常用的三元正極材料混合設(shè)備有傾斜式混合機(jī)、高速混合機(jī)、V型混合機(jī)、犁刀飛行混合機(jī)等。

 

燒結(jié)設(shè)備

燒結(jié)設(shè)備是制備三元正極材料的核心設(shè)備，主要指窯爐。其結(jié)構(gòu)對(duì)三元陰極材料的物理和電化學(xué)財(cái)產(chǎn)有很大影響。目前，三元正極材料的工業(yè)化生產(chǎn)主要采用推板窯和輥道窯，其中輥道窯應(yīng)用最為廣泛。

 

 

三元陰極材料的燒結(jié)溫度是最重要的工藝參數(shù)，它可以影響材料的大部分財(cái)產(chǎn)。因此，三元正極材料對(duì)窯爐溫度的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性有很高的要求，而溫度控制系統(tǒng)對(duì)三元負(fù)極材料的燒結(jié)至關(guān)重要。

 

破碎設(shè)備

在三元正極材料生產(chǎn)中，由于燒結(jié)材料顆粒之間的團(tuán)聚和粘附，需要使用破碎設(shè)備對(duì)燒結(jié)材料進(jìn)行離解，以控制粉末的粒度和分布。顆粒尺寸及其分布影響三元正極材料的比表面積、振動(dòng)密度、壓實(shí)密度、加工性能和電化學(xué)性能，這些對(duì)成品質(zhì)量非常重要。

三元正極材料的粉碎通常是將燒結(jié)材料進(jìn)行粗粉碎，然后進(jìn)行研磨。粗碎設(shè)備一般采用顎式破碎機(jī)或輥式破碎機(jī)；研磨設(shè)備一般采用空氣研磨、機(jī)械研磨、膠體研磨，這直接決定了三元正極材料的粉碎程度。

 

除鐵設(shè)備

三元共聚物材料中的金屬異物應(yīng)控制在數(shù)十PPB（1ppb=1×10-9m）的水平。過量的金屬異物會(huì)導(dǎo)致電池自放電率高，甚至影響鋰離子電池的安全。

三元正極材料的金屬異物主要來自生產(chǎn)過程中的原材料和設(shè)備磨損，主要是磁性金屬雜質(zhì)，尤其是金屬鐵。因此，生產(chǎn)過程中需要對(duì)成品進(jìn)行一次甚至多次除鐵。常用的除鐵設(shè)備有電磁除鐵器和永磁除鐵器。

鋰離子電池行業(yè)發(fā)展質(zhì)量的提高離不開材料，總體上三元正極材料要向高鎳方向發(fā)展。高鎳三元材料對(duì)工藝設(shè)備的環(huán)境、氣氛有更高的要求。

 

 

生產(chǎn)線必須實(shí)現(xiàn)更高水平的自動(dòng)化，特別是在生產(chǎn)車間的溫度和濕度需要加強(qiáng)對(duì)大氣的控制。三元正極材料的產(chǎn)業(yè)化裝備將逐步向智能化、大容量、低能耗、環(huán)?；较虬l(fā)展，以滿足動(dòng)力電池用三元負(fù)極材料高性能、低成本的要求。

 

比較三元正極材料公司之間的差異

在接下來的部分中，我們將從專利研發(fā)的角度來談?wù)勅龢O材料公司之間的差異。

 

陰極改性工藝具有很強(qiáng)的非標(biāo)準(zhǔn)特性

由于三元正極材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能量密度隨著鎳含量的增加而增加，但循環(huán)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性變差。

如何實(shí)現(xiàn)能量密度、循環(huán)性能和熱穩(wěn)定性的平衡一直是業(yè)界探索的課題。表面涂層、摻雜、單晶和結(jié)構(gòu)控制（核殼結(jié)構(gòu)、梯度濃度）在一定程度上彌補(bǔ)了三元正極材料的不足。

每一種改性工藝的組合和應(yīng)用都反映了行業(yè)產(chǎn)品的非標(biāo)準(zhǔn)屬性，每個(gè)陰極制造商都有自己獨(dú)特的解決方案。改造過程中特殊利益的積累最終會(huì)體現(xiàn)在產(chǎn)品質(zhì)量的差異上，這構(gòu)成了領(lǐng)先公司的競爭壁壘。

其中，最常用的三元陰極改性工藝是涂層和摻雜工藝，并簡要介紹了其原理和功能：

表面涂層可以有效地穩(wěn)定高鎳材料的結(jié)構(gòu)。表面涂層技術(shù)通過減少電極材料與電解質(zhì)的接觸面積，可以減少材料表面雜質(zhì)與電解質(zhì)的副反應(yīng)，提高三元正極材料表面的電子導(dǎo)電性，提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性。常見的表面涂層材料包括金屬氧化物、磷酸鹽和其他穩(wěn)定的電極材料。

 

根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，表面涂層顯著提高了高鎳材料的循環(huán)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。對(duì)比分析了未涂覆NCM811和經(jīng)Li2MnO3納米層涂覆NCM211的化學(xué)財(cái)產(chǎn)：

（1） 包覆NCM811的鋰離子擴(kuò)散速率較高，因此表現(xiàn)出較高的多重性；（2） 改性NCM811的熱分解溫度為256.2度，高于純NCM811 242.6度，表明改性NCM8 11有利于提高材料的熱穩(wěn)定性；（3） 涂覆后NCM811的循環(huán)穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，因?yàn)橥扛策^程有效地減少了NCM811表面雜質(zhì)與電解質(zhì)之間的反應(yīng)。

改進(jìn)的摻雜工藝可以顯著提高高鎳材料的循環(huán)穩(wěn)定性。通過在三元正極材料的晶格中摻入一些金屬離子或非金屬離子，可以提高三元負(fù)極材料的電子導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性。常見的摻雜元素有Al、Mg、Ti、Zr等。

 

 

摻雜銅離子的三元陰極材料的顆粒尺寸顯著減小。實(shí)驗(yàn)表明，適量的銅離子摻雜顯著改善了NCM811的循環(huán)和倍增財(cái)產(chǎn)：以1C速率循環(huán)100次后，放電比容量從129.1mah/g提高到157.29mAh/g，容量保持率從64.6%提高到84.9%。

 

三元正極材料代表公司

在這一部分中，我們將通過比較三元正極材料代表公司的研發(fā)能力和專利來介紹它們。

從陰極公司的累計(jì)專利數(shù)量來看，當(dāng)升科技和博美科技在專利申請(qǐng)總量和發(fā)明專利申請(qǐng)量上積累了深厚的積累，而成立于2014年的容百新能源由于歷史較短，在專利數(shù)量上落后。然而，容百已經(jīng)超過了成立較早的長遠(yuǎn)鋰科和振華新材，并正在迅速趕上當(dāng)升科技和博美科技。

廈鎢新能源成立時(shí)間也很短。其現(xiàn)有的大部分專利都授予了廈門鎢業(yè)，但在過去20年中，廈門鎢業(yè)也表現(xiàn)出了良好的專利增長勢(shì)頭。

從各正極材料公司的研發(fā)投入來看，容百、當(dāng)升和長遠(yuǎn)鋰科的總投入水平相似，廈門鎢業(yè)高于競爭對(duì)手。主體公司也在鈷酸鋰和三元材料兩個(gè)領(lǐng)域，其中鈷酸鋰的單位成本優(yōu)先，導(dǎo)致研發(fā)材料消耗成本更高。

就研發(fā)人員數(shù)量而言，容百科技擁有300多人，領(lǐng)先于其他競爭對(duì)手。從研發(fā)人員的平均工資來看，容百、當(dāng)升科技和長遠(yuǎn)鋰科的平均工資均在20萬元/年左右，領(lǐng)先于振華新材料和夏鎢新能源。