一、正極材料常用工藝：高溫固相反應(yīng)

? 在鋰離子電池?zé)o機(jī)電極材料的制備中，最常使用的是高溫固相反應(yīng)。

? 高溫固相反應(yīng)：指包括固相物質(zhì)的反應(yīng)物在一定的溫度下經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的反應(yīng)，通過(guò)各種元素之間的相互擴(kuò)散，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一定溫度下結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的化合物的過(guò)程，包括固—固相反應(yīng)、固—?dú)庀喾磻?yīng)和固—液相反應(yīng)等。

? 即使是采用溶膠-凝膠法、共沉淀法、水熱法和溶劑熱法等，通常仍需要在較高的溫度下進(jìn)行固相反應(yīng)或固相燒結(jié)。這是因?yàn)殇囯x子電池的工作原理要求其電極材料能夠反復(fù)地嵌入和脫出Li+，因此其晶格結(jié)構(gòu)必須有足夠的穩(wěn)定性，這就要求活性材料的結(jié)晶度要高，晶體結(jié)構(gòu)要規(guī)整。這是低溫條件下很難達(dá)到的，因此目前實(shí)際所用的鋰離子電池的電極材料基本上都是經(jīng)過(guò)高溫固相反應(yīng)獲得的。

? 正極材料加工生產(chǎn)線主要包括配混系統(tǒng)、燒結(jié)系統(tǒng)、粉碎系統(tǒng)、水洗系統(tǒng)（僅高鎳）、包裝系統(tǒng)、粉體輸送系統(tǒng)和智能化控制系統(tǒng)等。

二、不同正極材料具體工藝流程介紹

2.1、磷酸鐵鋰正極材料具體工藝流程介紹

磷酸鐵鋰價(jià)格相對(duì)低廉、對(duì)環(huán)境友好、安全性能較高、高溫性能較好，使其已形成了較廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用。但其能量密度較低、低溫性能較差，目前主要使用在商用車(chē)（客車(chē)）領(lǐng)域，在下游乘用車(chē)動(dòng)力電池領(lǐng)域的應(yīng)用不及能量密度更高的三元正極材料。隨著比亞迪刀片電池推廣，磷酸鐵鋰應(yīng)用市場(chǎng)或打開(kāi)。

磷酸鐵鋰粉體的制備在一定程度上會(huì)影響其作為正極材料的性能。目前制備磷酸鐵鋰的方法較多，如高溫固相反應(yīng)法、碳熱還原法以及尚末規(guī)模化（或?qū)嶒?yàn)室研究階段）的水熱法、噴霧熱解法、溶膠-凝膠法、共沉淀法等。

目前，磷酸鐵鋰生產(chǎn)線設(shè)備投資額（不含前驅(qū)體）大致為1億元/萬(wàn)噸（不同廠家投資額有所差異）。

2.2、三元正極材料具體工藝流程介紹

? 正極材料采用了包含鎳、鈷、錳（或鋁）三種金屬元素的三元聚合物，其中鎳鈷錳三元體NCM，鎳鈷鋁三元體為NCA。三元材料優(yōu)點(diǎn)就在于能量密度高、成本相對(duì)較、低循環(huán)性能優(yōu)異，是目前量產(chǎn)的正極材料中潛力最大的一種。

NCM三元發(fā)展趨勢(shì)是高鎳化。三元正極材料主要通過(guò)提高鎳含量、充電電壓上限和壓實(shí)密度使能量密度不斷提升，高鎳正極通常指鎳相對(duì)含量在0.6（含）以上的材料型號(hào)。因此，就能量密度而言NCA>NCM811>NCM622>NCM523>NCM333。

三元材料生產(chǎn)以氫氧化鎳鈷錳、碳酸鋰及其他摻雜元素為原料，進(jìn)行配料、混合、燒結(jié)、粉碎、合批、篩分、除鐵、包裝等工序。

目前，三元材料生產(chǎn)線設(shè)備投資額（不含前驅(qū)體）大致為1.5-2億元/萬(wàn)噸（高鎳三元投資額較大）。

鎳NCM在生產(chǎn)上比常規(guī)NCM材料有更高的要求：

? 高鎳三元正極材料由于氧化性較強(qiáng)，需要摻雜包覆做產(chǎn)品改性才能使用，摻雜包覆元素的選擇以及分布的均勻性，依賴(lài)生產(chǎn)廠商的技術(shù)工藝及生產(chǎn)設(shè)備。

? 原材料：對(duì)于常規(guī)三元正極材料，一般采用碳酸鋰作為鋰源材料。高鎳三元材料需要更高的能量密度、更好的充放電性能，普遍采用氫氧化鋰作為鋰源材料。

? 生產(chǎn)設(shè)備：高鎳三元材料尤其容易產(chǎn)生金屬離子混排問(wèn)題（不同金屬離子混合占位，對(duì)于材料的首次效率、可逆容量、循環(huán)性能等電化學(xué)性能造成不利影響），需要盡量消除，因而需要在純氧環(huán)境中生產(chǎn)，所以高鎳產(chǎn)品的燒結(jié)需要氧氣爐，而常規(guī)三元只需使用空氣爐。

? 生產(chǎn)環(huán)境：高鎳三元材料對(duì)于濕度要求更高，一般需要專(zhuān)用除濕、通風(fēng)設(shè)備。在磁性物控制方面，高鎳三元材料也有更高要求，往往需要對(duì)廠房設(shè)施進(jìn)行特定改造。

NCA（鋰源通常采用氫氧化鋰，非碳酸鋰）工藝與高鎳NCM生產(chǎn)工藝相似，經(jīng)過(guò)計(jì)量配料、混合、燒結(jié)、粉碎分級(jí)、合批、除鐵、包裝等工序。目前國(guó)內(nèi)外主要NCA生產(chǎn)企業(yè)通常采用的技術(shù)路線有如下3種：1）先制備N(xiāo)i1-xCox(OH)2，然后在Ni1-xCox(OH)2表面包覆Al(OH)3，最后與Li鹽混合燒結(jié)制備N(xiāo)CA正極材料；2）直接采用Ni、Co、Al鹽共沉淀制備N(xiāo)i1-x-yCoxAly(OH)2，然后與Li鹽混合燒結(jié)制備N(xiāo)CA正極材料；3）先制備N(xiāo)i1-xCox(OH)2 ，然后將Ni1-xCox(OH)2與Al(OH)3、Li鹽混合燒結(jié)制備N(xiāo)CA正極材料。

NCA通常采用氧氣氣氛密封連續(xù)式輥道窯生產(chǎn)，產(chǎn)品出窯后要迅速轉(zhuǎn)移至相對(duì)濕度在10%以下的干燥環(huán)境下進(jìn)行破碎、粉碎、分級(jí)、合批、包裝處理。NCA的低溫?zé)Y(jié)（一般不超過(guò)800℃）更有利，但由于氫氧化鋰揮發(fā)性較強(qiáng)，刺激氣味較大，所以要求通風(fēng)良好的生產(chǎn)環(huán)境。同時(shí)，NCA的燒結(jié)氣氛需要在純氧氣氣氛下，才能保證Ni2+氧化成Ni3+。

2.3、鈷酸鋰正極材料具體工藝流程介紹

鈷酸鋰也稱(chēng)氧化鈷鋰或鋰鈷氧，鈷酸鋰因其合成方法簡(jiǎn)單、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作電壓高、倍率性能好等優(yōu)點(diǎn)成為最早用于商品化的鋰離子電池的正極材料，在小型充電電池中應(yīng)用廣泛。

鈷酸鋰正極材料成本高（金屬鈷價(jià)格昂貴）、循環(huán)性能差、安全性能差，近年來(lái)逐步被三元正極材料替代。在超薄電子產(chǎn)品領(lǐng)域，因鈷酸鋰正極材料體積能量密度及倍率性能好等優(yōu)勢(shì)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)替代。

鈷酸鋰生產(chǎn)以四氧化三鈷、碳酸鋰及其他摻雜元素為原料，進(jìn)行計(jì)量、配料、混合、燒結(jié)、粉碎分級(jí)、除鐵、包裝等工序。

目前，鈷酸鋰生產(chǎn)線設(shè)備投資額（不含前驅(qū)體）大致為1.7億元/萬(wàn)噸（不同廠家投資額有所差異） 。

2.4、錳酸鋰正極材料具體工藝流程介紹

錳酸鋰是除鈷酸鋰之外研究最早的鋰電池正極材料，具有資源豐富、成本低、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)；但其較低的比容量、較差的循環(huán)性能，特別是高溫循環(huán)性能使其應(yīng)用受到了較大的限制。錳酸鋰電池將主要在物流車(chē)，以及在注重成本、對(duì)續(xù)航里程要求相對(duì)低的微型乘用車(chē)領(lǐng)域具有一定市場(chǎng)份額。

目前，規(guī)模生產(chǎn)鋰離子電池正極材料鋰錳氧的最普遍的方法是高溫固相法，即將分別含鋰和錳的兩種固體原料均勻混合后在一定溫度和時(shí)間內(nèi)煅燒制成。

目前，錳酸鋰生產(chǎn)線相對(duì)低端，設(shè)備投資額（不含前驅(qū)體）較低。

三、正極材料生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備解析

3.1、計(jì)量與配料系統(tǒng)

正極材料在原料輸送、儲(chǔ)存、配料、混料、破碎粉磨、除塵以及包裝等方面采用了稱(chēng)重計(jì)量作為工藝過(guò)程中的檢測(cè)與控制手段。稱(chēng)重計(jì)量的主要設(shè)備是電子衡器。

應(yīng)用場(chǎng)景：各種儲(chǔ)存料倉(cāng)的稱(chēng)重計(jì)量、配料過(guò)程中的定量稱(chēng)重、成品物料包裝計(jì)量。

目前工藝上采用的料倉(cāng)稱(chēng)重、混合機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)、配料秤以及自動(dòng)定量秤都是重力式裝料衡器，它們的共同結(jié)構(gòu)都是包含供料裝置、稱(chēng)重計(jì)量、顯示裝置、控制裝置以及具有產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)和通信等功能。最后由中央控制將各部分連成一體，構(gòu)成閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

料倉(cāng)稱(chēng)重系統(tǒng)：能夠顯示出整個(gè)料倉(cāng)空倉(cāng)重量，又顯示料倉(cāng)內(nèi)物料的凈重。

配料秤：電池正極材料生產(chǎn)中關(guān)鍵設(shè)備，既要求每一種料有獨(dú)立的定量值，又要求投入其中的料比例必須正確。

3.2、混合設(shè)備

為了提高高溫固相反應(yīng)的速率與材料結(jié)構(gòu)的均勻性，物料的均勻混合是必要條件。物料的混合分濕法混合與干法混合，濕法混合主要有攪拌球磨機(jī)和砂磨機(jī)，干法混合主要有高速混合機(jī)、高效循環(huán)混合機(jī)和機(jī)械融合機(jī)等。

3.3、干燥設(shè)備

當(dāng)鋰離子電池正極材料生產(chǎn)過(guò)程中采用濕法混料工藝時(shí)，經(jīng)常遇到干燥問(wèn)題，濕法混料所用溶劑不同，所采用的干燥工藝和設(shè)備也就不同。濕法混料工藝所用的溶劑目前主要有兩種：非水溶劑即有機(jī)溶劑如乙醇、丙酮等；水溶劑。鋰離子電池正極材料濕法混料的干燥設(shè)備主要有：真空回轉(zhuǎn)干燥機(jī)、真空耙式干燥機(jī)、噴霧干燥機(jī)、真空帶式干燥機(jī)。

3.4、燒結(jié)窯爐

鋰離子電池正極材料工業(yè)化生產(chǎn)通常采用高溫固相燒結(jié)合成工藝，其核心關(guān)鍵設(shè)備是燒結(jié)窯爐。鋰離子電池正極材料生產(chǎn)原料經(jīng)均勻混合、干燥后裝入窯爐進(jìn)行燒結(jié)，然后從窯爐卸料后進(jìn)入粉碎分級(jí)工序。

對(duì)正極材料生產(chǎn)而言，窯爐的控溫溫度、溫度均勻性、氣氛控制與均勻性、連續(xù)性、產(chǎn)能、能耗和自動(dòng)化程度等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)至關(guān)重要。目前用于正極材料生產(chǎn)的主要燒結(jié)設(shè)備有推板窯、輥道窯、鐘罩爐。

燒結(jié)窯爐價(jià)值量較高，并以國(guó)外和合資品牌為主。以應(yīng)用最廣的輥道窯（負(fù)極材料生產(chǎn)也用此設(shè)備）為 例，其價(jià)值量占產(chǎn)線比約30%-40%。德國(guó)薩克米、日本NGK、日本則武、日本高砂、廣州中鵬、廣州高砂、蘇州匯科、湖南金爐、博濤機(jī)電、湖南新天力（天通股份）等廠家擁有窯爐生產(chǎn)制造能力。

輥道窯是一種連續(xù)式加熱燒結(jié)的中型隧道窯。

按照爐體氛圍，同推板窯一樣，輥道窯也分為空氣窯和氣氛窯。

? 空氣窯：主要用于錳酸鋰材料、鈷酸鋰材料、三元材料等需要氧化性氣氛的材料燒結(jié)；

? 氣氛窯：主要用于NCA三元材料、磷酸鐵鋰（LFP）材料、石墨負(fù)極材料等需要?dú)夥眨ㄈ鏝2或O2 ）氣體保護(hù)的燒結(jié)材料。

輥道窯采用滾動(dòng)摩擦工進(jìn)，因此在窯爐長(zhǎng)度上不會(huì)受到推進(jìn)力的影響，理論上可以做到無(wú)限長(zhǎng)度，而窯腔結(jié)構(gòu)的特色，燒制產(chǎn)品時(shí)一致性更好，大窯腔結(jié)構(gòu)更利于爐內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)和產(chǎn)品的排水排膠等，是替代推板窯真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的首選設(shè)備。

目前鋰電池正極材料鈷酸鋰、三元、錳酸鋰等均采用空氣輥道窯進(jìn)行燒結(jié)，而磷酸鐵鋰采用氮?dú)獗Ｗo(hù)的輥道窯進(jìn)行燒結(jié)，NCA則采用氧氣保護(hù)的輥道窯進(jìn)行燒結(jié)。

3.5、粉碎與分級(jí)設(shè)備

經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)工序出來(lái)的半成品一般需要經(jīng)過(guò)粉碎分級(jí)才能達(dá)到產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，不同的正極材料燒結(jié)溫度不同，有些材料由于燒結(jié)溫度較高，結(jié)塊比較嚴(yán)重，需要進(jìn)行不同級(jí)別的粉碎，如需要顎式破碎、輥式破碎和超細(xì)粉碎等，主要涉及到的設(shè)備有顎式破碎機(jī)、輥式破碎機(jī)、旋輪磨、高速機(jī)械沖擊式粉碎機(jī)和氣流粉碎機(jī)。

3.6、合批設(shè)備

盡管在鋰離子電池正極材料生產(chǎn)過(guò)程中采取了嚴(yán)格品管手段，但為了保證產(chǎn)品的一致性，對(duì)不同批次生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行合批，合成一個(gè)大批次，使同一個(gè)大批次的產(chǎn)品均勻化。目前普遍采用大型混合機(jī)進(jìn)行混合合批處理，主要有雙螺旋錐形混合機(jī)和臥式螺帶混合機(jī)。

3.7、除磁設(shè)備

由于微量單質(zhì)鐵在正極材料中的分布是極不均勻的，有時(shí)帶有很大的偶然性，所以為了確保產(chǎn)品的品質(zhì)，目前在產(chǎn)品最后進(jìn)入包裝工序之前要加一套除鐵工序。

磁選法尤其是電磁選法效率高、成本低、棄鐵簡(jiǎn)單易行而被普遍采用。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電磁除鐵機(jī)難以滿足要求，通常從日本和韓國(guó)進(jìn)口。

3.8、包裝計(jì)量設(shè)備

為了防止在儲(chǔ)存和周轉(zhuǎn)過(guò)程中材料受到外界的污染，成品粉料制備完成后應(yīng)盡快裝袋、計(jì)量和密封保存，為了在周轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)其外包裝進(jìn)行保護(hù)還需裝桶或裝箱并做好信息的貼標(biāo)和記錄登記。用于鋰離子電池材料包裝計(jì)量設(shè)備的種類(lèi)有自動(dòng)上袋設(shè)備、熱合封口機(jī)、貼標(biāo)與噴墨打印、自動(dòng)碼垛機(jī)和纏包機(jī)。

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