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過程中工藝優化或新工藝探索的方法，匯總了通過工藝改進實現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化實現降本的方向。

關鍵詞：工藝優化;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

鋰離子電池是當前電池工業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。鋰離子電池的應用領域目前已涉及移動電話、筆記本電腦、攝像機、數碼、電動工具、汽車、儲能等眾多民用領域和航空、航天、船舶等軍事領域。

鋰離子電池主要由正極材料（圖一）、負極材料、電解液、隔膜等主要材料構成。一般來說，在鋰離子電池產品組成成分中，正極材料占據著最重要的地位，正極材料的好壞，直接決定了最終鋰離子電池產品的性能指標。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展的瓶頸。從正極材料的發展趨勢來看，早期主要為技術競爭，而中、長期仍然還是需要重點關注成本競爭。在目前行業規模逐步增大的趨勢發展狀態下，鋰離子正極材料的制造成本成為市場競爭的關鍵，而降低成本成為目前正極材料發展不變的戰略。本文通過對現有鋰離子電池正極材料生產工藝進行優化改進或新工藝探索，實現鋰離子電池正極材料制造成本的降低，并確認工藝優化的方向。

1、工藝優化傳統“三板斧”

鋰離子電池正極材料一般為配混料、燒結、破碎和包裝四個工序（圖三），可依據不同產品的性能需求而進行不同順序的再次組合，以實現不同客戶對正極材料的不同需求。燒結工序作為正極材料制備的核心工序，不僅具有工藝、設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化、改進，以實現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，我們俗稱為工藝優化的傳統“三板斧”。

1.1裝缽量提升

為了實現匣缽產能的最大化，在正極材料生產過程中，通過設定最大裝入量、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能，一般不會影響產品性能，并且能夠有效實現產能提升5-20%，實現制造費用50-200元/噸的降低。

1.2推速/輥速提升（推板窯/輥道爐）

在正極材料生產過程中占據主要制造成本的窯爐，通過縮短原料間的合成反應時間來實現窯爐產能的提升。而合成時間是通過窯爐的推速/輥速（推板窯/輥道爐）來實現的，為了實現窯爐產能的最大化，在正極材料生產過程中，通過設定推板周期（推板窯）或輥速（輥道爐）的方式縮短反應時間，從而提升窯爐產能。通過這種方式來提升產能，一般需要結合產品的容量、循環等電化學性能的變化進行燒結溫度或燒結氣氛等工藝條件的調節，從而實現產品性能的前后一致性。通過該方法能夠有效實現產能提升15-30%，實現制造費用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%的正極材料在燒結過程中所需氧氣的濃度低于60%，此類型的正極材料在生產工藝條件界定時采用壓縮空氣來滿足生產需求;而鎳含量高于50%的正極材料在燒結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工藝條件界定時采用液氧或工業制氧機來滿足生產需求。

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

2、異常料優化處理

在鋰離子電池正極材料制備過程中，通常會因工藝設計等原因在生產過程中會產生篩上料、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境產生負面作用。為此，我們通過專項研究，針對這些異常料制定了對應的處理方式，以實現“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，此時會產生一定比例的篩上料，造成產品產出率低于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，然后依據產品原有的工藝進行摻雜或包覆改善，以實現篩上料的有效處理，并轉化為與成品相同或類同的產品，有效降低產品生產成本。

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對顆粒進行解離而采用氣流磨、機械磨等破碎處理，此時會產生一定比例的細粉，造成產品產出率低于100%。通過將細粉返回至起始階段，采用產品原有的工藝進行摻雜或包覆處理，以實現細粉的有效處理，并轉化為與成品相同或類同的產品，有效降低產品生產成本。

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去除而采用除鐵設備進行除鐵處理，此時會產生一定比例的高鐵料，造成產品產出率低于100%。通過將高鐵料按照原有除鐵工藝進行多次除鐵，實現正極材料與磁性雜質的分離，并將正極材料轉化為與成品相同或類同的產品，有效降低產品生產成本。

3、新工藝探索

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

3.1 成型工藝

通過采用粉體成型設備，提升粉體原料的密度，如造球、造粒等，來實現裝缽量的大幅度提升。通過這種方式來提升產能，一般不會影響產品性能，并且能夠有效實現產能提升40-60%，實現制造費用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，達到與同類產品相同的性能，實現高鐵料濕法除鐵處理，并轉化為與成品相同或類同的產品，有效降低產品生產成本。

3.3 細粉單晶化工藝

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

4、結論：

鋰離子電池正極材料在制備過程中，采用工藝優化傳統“三板斧”、異常料優化處理和新工藝探索等方式進行工藝優化、改進，以實現正極材料制造成本的降低。在燒結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，工藝經理，從事工作：鋰電正極材料工藝工程師。