一、正極材料常用工藝：高溫固相反應

? 在鋰離子電池無機電極材料的制備中，最常使用的是高溫固相反應。

? 高溫固相反應：指包括固相物質的反應物在一定的溫度下經過一段時間的反應，通過各種元素之間的相互擴散，發生化學反應，生成一定溫度下結構最穩定的化合物的過程，包括固—固相反應、固—氣相反應和固—液相反應等。

? 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行固相反應或固相燒結。這是因為鋰離子電池的工作原理要求其電極材料能夠反復地嵌入和脫出Li+，因此其晶格結構必須有足夠的穩定性，這就要求活性材料的結晶度要高，晶體結構要規整。這是低溫條件下很難達到的，因此目前實際所用的鋰離子電池的電極材料基本上都是經過高溫固相反應獲得的。

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

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

磷酸鐵鋰價格相對低廉、對環境友好、安全性能較高、高溫性能較好，使其已形成了較廣泛的市場應用。但其能量密度較低、低溫性能較差，目前主要使用在商用車（客車）領域，在下游乘用車動力電池領域的應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，磷酸鐵鋰應用市場或打開。

磷酸鐵鋰粉體的制備在一定程度上會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，如高溫固相反應法、碳熱還原法以及尚末規模化（或實驗室研究階段）的水熱法、噴霧熱解法、溶膠-凝膠法、共沉淀法等。

目前，磷酸鐵鋰生產線設備投資額（不含前驅體）大致為1億元/萬噸（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。三元材料優點就在于能量密度高、成本相對較、低循環性能優異，是目前量產的正極材料中潛力最大的一種。

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

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

目前，三元材料生產線設備投資額（不含前驅體）大致為1.5-2億元/萬噸（高鎳三元投資額較大）。

鎳NCM在生產上比常規NCM材料有更高的要求：

? 高鎳三元正極材料由于氧化性較強，需要摻雜包覆做產品改性才能使用，摻雜包覆元素的選擇以及分布的均勻性，依賴生產廠商的技術工藝及生產設備。

? 原材料：對于常規三元正極材料，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。

? 生產設備：高鎳三元材料尤其容易產生金屬離子混排問題（不同金屬離子混合占位，對于材料的首次效率、可逆容量、循環性能等電化學性能造成不利影響），需要盡量消除，因而需要在純氧環境中生產，所以高鎳產品的燒結需要氧氣爐，而常規三元只需使用空氣爐。

? 生產環境：高鎳三元材料對于濕度要求更高，一般需要專用除濕、通風設備。在磁性物控制方面，高鎳三元材料也有更高要求，往往需要對廠房設施進行特定改造。

NCA（鋰源通常采用氫氧化鋰，非碳酸鋰）工藝與高鎳NCM生產工藝相似，經過計量配料、混合、燒結、粉碎分級、合批、除鐵、包裝等工序。目前國內外主要NCA生產企業通常采用的技術路線有如下3種：1）先制備Ni1-xCox(OH)2，然后在Ni1-xCox(OH)2表面包覆Al(OH)3，最后與Li鹽混合燒結制備NCA正極材料；2）直接采用Ni、Co、Al鹽共沉淀制備Ni1-x-yCoxAly(OH)2，然后與Li鹽混合燒結制備NCA正極材料；3）先制備Ni1-xCox(OH)2 ，然后將Ni1-xCox(OH)2與Al(OH)3、Li鹽混合燒結制備NCA正極材料。

NCA通常采用氧氣氣氛密封連續式輥道窯生產，產品出窯后要迅速轉移至相對濕度在10%以下的干燥環境下進行破碎、粉碎、分級、合批、包裝處理。NCA的低溫燒結（一般不超過800℃）更有利，但由于氫氧化鋰揮發性較強，刺激氣味較大，所以要求通風良好的生產環境。同時，NCA的燒結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

鈷酸鋰也稱氧化鈷鋰或鋰鈷氧，鈷酸鋰因其合成方法簡單、循環壽命長、工作電壓高、倍率性能好等優點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用廣泛。

鈷酸鋰正極材料成本高（金屬鈷價格昂貴）、循環性能差、安全性能差，近年來逐步被三元正極材料替代。在超薄電子產品領域，因鈷酸鋰正極材料體積能量密度及倍率性能好等優勢還無法實現替代。

鈷酸鋰生產以四氧化三鈷、碳酸鋰及其他摻雜元素為原料，進行計量、配料、混合、燒結、粉碎分級、除鐵、包裝等工序。

目前，鈷酸鋰生產線設備投資額（不含前驅體）大致為1.7億元/萬噸（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、安全性能好等優點；但其較低的比容量、較差的循環性能，特別是高溫循環性能使其應用受到了較大的限制。錳酸鋰電池將主要在物流車，以及在注重成本、對續航里程要求相對低的微型乘用車領域具有一定市場份額。

目前，規模生產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間內煅燒制成。

目前，錳酸鋰生產線相對低端，設備投資額（不含前驅體）較低。

三、正極材料生產關鍵設備解析

3.1、計量與配料系統

正極材料在原料輸送、儲存、配料、混料、破碎粉磨、除塵以及包裝等方面采用了稱重計量作為工藝過程中的檢測與控制手段。稱重計量的主要設備是電子衡器。

應用場景：各種儲存料倉的稱重計量、配料過程中的定量稱重、成品物料包裝計量。

目前工藝上采用的料倉稱重、混合機稱重系統、配料秤以及自動定量秤都是重力式裝料衡器，它們的共同結構都是包含供料裝置、稱重計量、顯示裝置、控制裝置以及具有產能統計和通信等功能。最后由中央控制將各部分連成一體，構成閉環自動控制系統。

料倉稱重系統：能夠顯示出整個料倉空倉重量，又顯示料倉內物料的凈重。

配料秤：電池正極材料生產中關鍵設備，既要求每一種料有獨立的定量值，又要求投入其中的料比例必須正確。

3.2、混合設備

為了提高高溫固相反應的速率與材料結構的均勻性，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和砂磨機，干法混合主要有高速混合機、高效循環混合機和機械融合機等。

3.3、干燥設備

當鋰離子電池正極材料生產過程中采用濕法混料工藝時，經常遇到干燥問題，濕法混料所用溶劑不同，所采用的干燥工藝和設備也就不同。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備主要有：真空回轉干燥機、真空耙式干燥機、噴霧干燥機、真空帶式干燥機。

3.4、燒結窯爐

鋰離子電池正極材料工業化生產通常采用高溫固相燒結合成工藝，其核心關鍵設備是燒結窯爐。鋰離子電池正極材料生產原料經均勻混合、干燥后裝入窯爐進行燒結，然后從窯爐卸料后進入粉碎分級工序。

對正極材料生產而言，窯爐的控溫溫度、溫度均勻性、氣氛控制與均勻性、連續性、產能、能耗和自動化程度等技術經濟指標至關重要。目前用于正極材料生產的主要燒結設備有推板窯、輥道窯、鐘罩爐。

燒結窯爐價值量較高，并以國外和合資品牌為主。以應用最廣的輥道窯（負極材料生產也用此設備）為 例，其價值量占產線比約30%-40%。德國薩克米、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、博濤機電、湖南新天力（天通股份）等廠家擁有窯爐生產制造能力。

輥道窯是一種連續式加熱燒結的中型隧道窯。

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；

? 氣氛窯：主要用于NCA三元材料、磷酸鐵鋰（LFP）材料、石墨負極材料等需要氣氛（如N2或O2 ）氣體保護的燒結材料。

輥道窯采用滾動摩擦工進，因此在窯爐長度上不會受到推進力的影響，理論上可以做到無限長度，而窯腔結構的特色，燒制產品時一致性更好，大窯腔結構更利于爐內氣流的運動和產品的排水排膠等，是替代推板窯真正實現大規模生產的首選設備。

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行燒結，而磷酸鐵鋰采用氮氣保護的輥道窯進行燒結，NCA則采用氧氣保護的輥道窯進行燒結。

3.5、粉碎與分級設備

經過高溫燒結工序出來的半成品一般需要經過粉碎分級才能達到產品標準，不同的正極材料燒結溫度不同，有些材料由于燒結溫度較高，結塊比較嚴重，需要進行不同級別的粉碎，如需要顎式破碎、輥式破碎和超細粉碎等，主要涉及到的設備有顎式破碎機、輥式破碎機、旋輪磨、高速機械沖擊式粉碎機和氣流粉碎機。

3.6、合批設備

盡管在鋰離子電池正極材料生產過程中采取了嚴格品管手段，但為了保證產品的一致性，對不同批次生產的產品進行合批，合成一個大批次，使同一個大批次的產品均勻化。目前普遍采用大型混合機進行混合合批處理，主要有雙螺旋錐形混合機和臥式螺帶混合機。

3.7、除磁設備

由于微量單質鐵在正極材料中的分布是極不均勻的，有時帶有很大的偶然性，所以為了確保產品的品質，目前在產品最后進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、棄鐵簡單易行而被普遍采用。目前國內生產的電磁除鐵機難以滿足要求，通常從日本和韓國進口。

3.8、包裝計量設備

為了防止在儲存和周轉過程中材料受到外界的污染，成品粉料制備完成后應盡快裝袋、計量和密封保存，為了在周轉過程中對其外包裝進行保護還需裝桶或裝箱并做好信息的貼標和記錄登記。用于鋰離子電池材料包裝計量設備的種類有自動上袋設備、熱合封口機、貼標與噴墨打印、自動碼垛機和纏包機。

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