鋰離子電池正極材料制備工藝改進（降本）方法簡介

摘要：介紹了鋰離子電池正極材料生產(chǎn)過程中工藝優(yōu)化或新工藝探索的方法，匯總了通過工藝改進實現(xiàn)鋰離子電池正極材料制造成本降低的效果，并通過降本效果對比指出了鋰離子電池正極材料制造時通過工藝優(yōu)化實現(xiàn)降本的方向。

關(guān)鍵詞：工藝優(yōu)化;新工藝探索;成本降低;方向

引言：鋰離子電池、正極材料制備工藝簡介

鋰離子電池是當(dāng)前電池工業(yè)中性能卓越的新一代綠色高能電池，以高體積比能量和高質(zhì)量比能量及可充且無污染等特點成為市場公認的比較有前景的綠色新能源。鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域目前已涉及移動電話、筆記本電腦、攝像機、數(shù)碼、電動工具、汽車、儲能等眾多民用領(lǐng)域和航空、航天、船舶等軍事領(lǐng)域。

鋰離子電池主要由正極材料（圖一）、負極材料、電解液、隔膜等主要材料構(gòu)成。一般來說，在鋰離子電池產(chǎn)品組成成分中，正極材料占據(jù)著最重要的地位，正極材料的好壞，直接決定了最終鋰離子電池產(chǎn)品的性能指標(biāo)。而正極材料在電池成本中所占比例高達40%左右（圖二），成為制約我國高性能鋰離子電池發(fā)展的瓶頸。從正極材料的發(fā)展趨勢來看，早期主要為技術(shù)競爭，而中、長期仍然還是需要重點關(guān)注成本競爭。在目前行業(yè)規(guī)模逐步增大的趨勢發(fā)展?fàn)顟B(tài)下，鋰離子正極材料的制造成本成為市場競爭的關(guān)鍵，而降低成本成為目前正極材料發(fā)展不變的戰(zhàn)略。本文通過對現(xiàn)有鋰離子電池正極材料生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化改進或新工藝探索，實現(xiàn)鋰離子電池正極材料制造成本的降低，并確認工藝優(yōu)化的方向。

1、工藝優(yōu)化傳統(tǒng)“三板斧”

鋰離子電池正極材料一般為配混料、燒結(jié)、破碎和包裝四個工序（圖三），可依據(jù)不同產(chǎn)品的性能需求而進行不同順序的再次組合，以實現(xiàn)不同客戶對正極材料的不同需求。燒結(jié)工序作為正極材料制備的核心工序，不僅具有工藝、設(shè)備等先進性和特殊性，而且還是正極材料制備成本的主要、關(guān)鍵工序。為此，在正極材料制備過程中，采用提升裝缽量、提升推/輥速（推板窯/輥道爐）和改變氣源/減少氣量的方式進行工藝優(yōu)化、改進，以實現(xiàn)正極材料制造成本的降低。因這三種方法具有較強的通用性和易操作性，我們俗稱為工藝優(yōu)化的傳統(tǒng)“三板斧”。

1.1裝缽量提升

為了實現(xiàn)匣缽產(chǎn)能的最大化，在正極材料生產(chǎn)過程中，通過設(shè)定最大裝入量、擠壓、使用高密度原材料等方式提升匣缽的載入量。通過這種方式來提升產(chǎn)能，一般不會影響產(chǎn)品性能，并且能夠有效實現(xiàn)產(chǎn)能提升5-20%，實現(xiàn)制造費用50-200元/噸的降低。

1.2推速/輥速提升（推板窯/輥道爐）

在正極材料生產(chǎn)過程中占據(jù)主要制造成本的窯爐，通過縮短原料間的合成反應(yīng)時間來實現(xiàn)窯爐產(chǎn)能的提升。而合成時間是通過窯爐的推速/輥速（推板窯/輥道爐）來實現(xiàn)的，為了實現(xiàn)窯爐產(chǎn)能的最大化，在正極材料生產(chǎn)過程中，通過設(shè)定推板周期（推板窯）或輥速（輥道爐）的方式縮短反應(yīng)時間，從而提升窯爐產(chǎn)能。通過這種方式來提升產(chǎn)能，一般需要結(jié)合產(chǎn)品的容量、循環(huán)等電化學(xué)性能的變化進行燒結(jié)溫度或燒結(jié)氣氛等工藝條件的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)產(chǎn)品性能的前后一致性。通過該方法能夠有效實現(xiàn)產(chǎn)能提升15-30%，實現(xiàn)制造費用150-300元/噸的降低。

1.3改變氣源/減少氣量

正極材料的制備過程一般需要有氧氣的參與，隨著鎳含量的增加，需要氧氣的純度會增加，從而增加正極材料的制造成本。鎳含量低于50%的正極材料在燒結(jié)過程中所需氧氣的濃度低于60%，此類型的正極材料在生產(chǎn)工藝條件界定時采用壓縮空氣來滿足生產(chǎn)需求;而鎳含量高于50%的正極材料在燒結(jié)過程中所需氧氣的濃度需要高于80%，甚至更高濃度，此類型的正極材料在生產(chǎn)工藝條件界定時采用液氧或工業(yè)制氧機來滿足生產(chǎn)需求。

為了降低耗氣成本，在生產(chǎn)鎳含量低于60%正極材料時，通過將液氧或工業(yè)制氧機的氣源更改為壓縮空氣，或?qū)嚎s空氣更改為鼓風(fēng)機的方式，能夠有效降低耗氣成本，同時能夠保持產(chǎn)品的性能不受影響。而在生產(chǎn)鎳含量高于60%正極材料時，通過改善窯爐內(nèi)部通氣順暢度，改變爐內(nèi)壓差等方式來達到減少爐內(nèi)進氧量的目的，從而實現(xiàn)產(chǎn)品制備的耗氣成本。通過該方法能夠有效實現(xiàn)產(chǎn)能提升10-20%，實現(xiàn)制造費用100-200元/噸的降低。

2、異常料優(yōu)化處理

在鋰離子電池正極材料制備過程中，通常會因工藝設(shè)計等原因在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生篩上料、細粉、高鐵料等異常物料，而這些物料會作為廢料進行報廢處理，不僅造成了成本的浪費，而且作為廢料也會對環(huán)境產(chǎn)生負面作用。為此，我們通過專項研究，針對這些異常料制定了對應(yīng)的處理方式，以實現(xiàn)“變廢為寶”，降低浪費的目的。

2.1 篩上料處理

在正極材料制備過程中，為了防止異物引入或引入粗顆粒而采用過篩工藝，此時會產(chǎn)生一定比例的篩上料，造成產(chǎn)品產(chǎn)出率低于100%。通過將篩上料進行正極材料和異物的分離后，采用氣流磨等破碎處理，然后依據(jù)產(chǎn)品原有的工藝進行摻雜或包覆改善，以實現(xiàn)篩上料的有效處理，并轉(zhuǎn)化為與成品相同或類同的產(chǎn)品，有效降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

2.2 細粉處理

在正極材料制備過程中，為了將粗顆粒破碎或?qū)︻w粒進行解離而采用氣流磨、機械磨等破碎處理，此時會產(chǎn)生一定比例的細粉，造成產(chǎn)品產(chǎn)出率低于100%。通過將細粉返回至起始階段，采用產(chǎn)品原有的工藝進行摻雜或包覆處理，以實現(xiàn)細粉的有效處理，并轉(zhuǎn)化為與成品相同或類同的產(chǎn)品，有效降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

2.3 高鐵料處理

在正極材料制備過程中，為了將正極材料中的金屬磁性雜質(zhì)去除而采用除鐵設(shè)備進行除鐵處理，此時會產(chǎn)生一定比例的高鐵料，造成產(chǎn)品產(chǎn)出率低于100%。通過將高鐵料按照原有除鐵工藝進行多次除鐵，實現(xiàn)正極材料與磁性雜質(zhì)的分離，并將正極材料轉(zhuǎn)化為與成品相同或類同的產(chǎn)品，有效降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

3、新工藝探索

在正極材料生產(chǎn)過程中，需要對各工序進行新的工藝的探索、開發(fā)，從而實現(xiàn)與原有工藝相同或更佳的效果，同時能夠有效改善產(chǎn)品性能、操作難度、生產(chǎn)成本等方面。

3.1 成型工藝

通過采用粉體成型設(shè)備，提升粉體原料的密度，如造球、造粒等，來實現(xiàn)裝缽量的大幅度提升。通過這種方式來提升產(chǎn)能，一般不會影響產(chǎn)品性能，并且能夠有效實現(xiàn)產(chǎn)能提升40-60%，實現(xiàn)制造費用400-600元/噸的降低。

3.2 濕法除鐵工藝

通過將高鐵料進行加水調(diào)漿后，采用管道除鐵器進行濕法除鐵，烘干后進行煅燒后處理，達到與同類產(chǎn)品相同的性能，實現(xiàn)高鐵料濕法除鐵處理，并轉(zhuǎn)化為與成品相同或類同的產(chǎn)品，有效降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

3.3 細粉單晶化工藝

通過將細粉進行再次破碎后，采用單晶產(chǎn)品的工藝進行摻雜或包覆，以實現(xiàn)細粉的單晶化處理，并轉(zhuǎn)化為單晶產(chǎn)品，有效降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

4、結(jié)論：

鋰離子電池正極材料在制備過程中，采用工藝優(yōu)化傳統(tǒng)“三板斧”、異常料優(yōu)化處理和新工藝探索等方式進行工藝優(yōu)化、改進，以實現(xiàn)正極材料制造成本的降低。在燒結(jié)工藝具有較高的改進價值，通過提升裝缽量（一般提升裝缽量或原料成型處理）、提升推速、改進氣源等方式實現(xiàn)正極材料制造成本的降低。

作者簡介：張力，1981.10，男，湖北襄陽人，本科，工藝經(jīng)理，從事工作：鋰電正極材料工藝工程師。