三元材料及其前驱体产业化关键设备的应用
作者：互联网
锂离子电池是目前综合性能最好的二次蓄电池，由于比能量高、循环寿命长、自放电小、无记忆效应及安全性好等特点，广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、电动自行车、军用设备、调峰储能以及分散式储能等多个领域。
正极材料是锂离子电池的关键材料，在很大程度上决定了电池的性能。常见的正极材料有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料（LiNixCoyM1-x-yO2，M为Mn或Al）。三元材料具有较为平衡的成本、能量密度、循环及安全性能等优势[1-2]，成为电动汽车、电动自行车等产品的主要选择，尤其在乘用车领域，三元材料凭借其更高的性价比优势，逐步超越磷酸铁锂和锰酸锂成为主流车企的选择。
随着近几年电动汽车的快速发展，国内三元材料的产能和销量增长迅猛，但与日韩一流企业的三元材料性能相比，仍有较大差距，主要问题是生产工艺和装备水平差距较大，急需转型升级。三元材料的性能和成本主要取决于生产工艺和关键设备的选择。目前工业化生产采用的主流生产工艺为：共沉淀法制备前驱体，然后将其与锂源混合固相烧结制成三元材料，具体工艺流程见图1。本文将重点介绍关键设备的应用情况，为三元材料产业化提供参考，具有重要的实用价值。
图1 三元材料工业化生产的主流工艺流程示意图
重点内容导读
介绍了前驱体合成、过滤、洗涤、干燥以及三元材料配混料、烧结、粉碎、除铁等工序的产业化关键设备应用情况，比较了不同设备的优势和劣势，为三元材料及其前驱体的产业化提供重要借鉴。
1 前驱体的关键设备
1.1 反应釜
反应釜是前驱体反应的核心设备，其釜体大小、搅拌器形式、挡板数量及尺寸、有无导流筒、进料位置、有无增固装置等结构特征均会影响前驱体的密度、形貌、比表面积、结晶程度、粒度大小及分布等性能。
1—电机；2—釜体；3—侧挡板；4—夹套；5—保温层；6—溢流口；7—注料口；8—搅拌轴；9—四叶式平板搅拌桨；10—剪切搅拌桨；11—保护气体吹入环；12—轴承支座
（a）
1—电机；2—釜体；3—导流筒；4—侧挡板；5—三叶螺旋桨；6—水平四叶浆；7—排污阀；8—搅拌轴；9—溢流口；10—加料管
（b）
1—反应釜；2—搅拌桨；3—固液分离器；4—固体颗粒筛分器；5—固体颗粒接收罐；6—母液流出管；7—固体颗粒与母液的溢流口；8—搅拌桨；9—进料管；10—进料管；
11—固体颗粒筛分器与固体颗粒接收罐之间的连接管道；12—固液分离器与反应釜之间的连接管道；13—泵
（c）
1—一级反应器；2—在线母液分离装置；3—在线过滤装置；4—二级反应器；5—档流板
（d）
图2 几种三元前驱体共沉淀反应釜结构简图
1.2 过滤和洗涤设备
过滤和洗涤设备的作用是将反应得到的前驱体浆料实现固液分离，然后采用洗涤液对得到的前驱体滤饼进行洗涤，去除残留在滤饼中的硫酸根、氯根、钠离子等。目前大多数前驱体厂家采用过滤洗涤一体化设备，主要有压滤机、离心机、微孔过滤机、过滤洗涤“二合一”设备等。
表1 4种前驱体过滤洗涤设备的主要优势和劣势对比表
1.3 干燥设备
在三元材料前驱体生产中，干燥操作单元决定了前驱体成品的水分含量，并且对晶体结构有一定的影响，是一个重要工序，干燥设备能否正确选择直接关系到产品的质量、操作环境和生产成本。目前常用的前驱体干燥设备有热风循环烘箱、盘式干燥机、闪蒸干燥机、回转滚筒干燥机等。
表2 4种前驱体干燥设备的主要优势和劣势对比表
2 三元材料的关键设备
2.1 配混料设备
在三元材料生产中，配混料是将化学计量比的锂盐、前驱体、添加剂加入混合设备进行均匀混合，其均匀性会影响烧结过程中锂、添加剂的均匀性，直接影响三元材料的结晶程度和残碱量，最终体现在电性能上。
表3 4种三元材料混料设备的主要优势和劣势对比表
2.2 烧结设备
烧结设备是三元材料制备的核心设备，主要指窑炉，其结构对三元材料的物理性能和电化学性能均有较大影响。目前三元材料工业化生产主要采用推板窑和辊道窑，其中尤以辊道窑使用最为广泛。
表4 两种三元材料烧结设备的主要优势和劣势对比表
2.3 粉碎设备
在三元材料生产中，由于烧结料颗粒之间有团聚和粘连现象，因此需要采用粉碎设备对烧结料进行解离，以此来控制粉体的粒度大小及其分布。粒度大小及其分布会影响三元材料的比表面积、振实密度、压实密度、加工性能和电化学性能等，所以粉碎工序是三元材料生产的重要工序之一。
表5 3种三元材料粉碎设备的主要优势和劣势对比表
2.4 除铁设备
三元材料的金属异物需要控制在几十ppb（1ppb=1×10-9 m）级水平，金属异物过高会导致电池自放电率大，甚至影响到电池的安全性能。三元材料的金属异物主要来源于原材料和生产过程中的设备磨损，并且主要以磁性金属杂质为主，尤其是金属铁。三元材料生产过程中需要对成品进行除铁一次甚至多次，常用的除铁设备有电磁除铁器和永磁除铁器。
表6 两种三元材料除铁设备的主要优势和劣势对比表
结论
三元材料及其前驱体的产业化是一个系统工程，其关键设备的选择对材料的性能至关重要，从整个三元材料生产设备的发展趋势来看，将逐渐向智能化、大产能、低能耗、环境友好的方向发展，以此来满足动力电池对三元材料高性能、低成本的要求。
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