从磷酸铁锂正极材料的制备工艺看粉体设备的市场方向

一、背景


      磷酸铁锂（分子式LiFePO4，简称LFP）是锂离子电池的一种正极材料，其特点是原材料价格低廉、工作电压适中、比容量大、比功率高、可快速充电、循环寿命长、稳定性高等。


      1996年，日本NTT（电信电话株式会社）最早报道了磷酸铁锂的橄榄石型晶体特征。1997年美国德州大学Goodenough教授研究团队也接着报道了LFP的可逆性嵌入脱出锂离子性能及其橄榄石结构。美国与日本不约而同地发表磷酸铁锂的橄榄石结构(LiMPO4)，使得该材料受到了极大的重视，并引起广泛的关注和迅速的发展。


      虽然磷酸铁锂具有诸多优点，但是LFP材料却存在致命的缺陷，电子电导率低等。2001年，Velence首先发现了碳包覆和碳热还原技术，成功解决了LFP电导率低的问题，使磷酸铁锂材料的性能进一步提高，紧接着A123SYSTEMS的技术团队发现了离子掺杂和纳米化技术，大幅提高磷酸铁锂的导电性，磷酸铁锂开始进入大规模应用阶段。

 

二、磷酸铁锂正极材料的生产配方


      磷酸铁：纯度99.5%以上，D90粒度小于5um；碳酸锂：纯度99.5%以上，D90粒度小于5um ；蔗糖：纯度99.5%以上，D90粒度小于5um ； 纯水：电导率大于10兆欧；氮气：99.999% ；分散剂：聚乙二醇(PEG)。

 

三、磷酸铁锂正极材料的工艺过程及其与粉体设备的关系


1.磷酸铁烘干除水

（1）烘房烘干工序：不锈钢匣钵装满原料磷酸铁置入烘房，调节烘房温度220± 20℃，6-10小时烘干。出料转下一工序至回转炉烧结。


（2）回转炉烧结工序：回转炉升温、通氮气达到要求后，进料（来自上工序烘房的 物料），调节温度540±20℃，烧结8-12小时。


      此过程包括两道工序，分别是烘房烘干工序、 回转炉烧结工序，与之对应的两种粉体设备是烘房、回转炉。


   2.研磨机混料工序

（1）碳酸锂研磨：称量碳酸锂13Kg、蔗糖12Kg、纯水50Kg，混合研磨1-2小时。暂停。

 

（2）混合研磨：在上述混合液中加入磷酸铁50Kg，纯水25Kg，混合研磨1-3小时。停机，出料转入分散机。取样测粒度。


（3）清洗：称量100Kg纯水，分3-5次清洗研磨机，洗液全部转入分散机。


      此过程包括三道工序，分别是碳酸锂研磨、混合研磨、清洗，涉及到的粉体设备有研磨机、混合机、分散机。


3.分散机物料分散工序

      将上述两台研磨机混合好（或者1台研磨机两次混合）的物料约500Kg（包括清洗研磨机的物料）一起转入分散机，再加入100Kg纯水，调节搅拌速度，充分搅拌分散1-2小时，等待用泵打入喷雾干燥设备。


      此过程包括三道工序，分别是研磨混合、清洗物料、分散搅拌，涉及到的粉体设备有研磨机、混合机、分散机。


4.喷雾干燥工序

（1）调节喷雾干燥设备的进口温度220±20℃，出口温度110±10℃，进料速度 80Kg/hr，然后，开始进料喷雾干燥，得到干燥物料。

 

（2）可以按照喷雾粒度大小调节固含量为15%~30%。


       此过程包括两道工序，分别是调节温度、喷雾干燥，涉及到的粉体设备是喷雾干燥机。


5.液压机物料压块装料

      分别调节液压机的压力为150吨和175吨，在模具中装入喷雾干燥好的物料，保压一定时间，压实成块状。装入匣钵转入推板炉。同时，放入几组散装样品，与压成块状的物料进行对比。


      此过程包括两道工序，分别是压块、装料，涉及到的粉体设备有液压机、推板炉。


6. 推板炉烧结

      先升温，通氮气，达到气氛要求100ppm以下，将匣钵推入推板炉，按升温段300-550℃，4-6小时；恒温段750℃8-10小时；降温段6-8小时进行，出料。


      此过程包括五道工序，分别是升温、通氮气、升温、恒温、降温，涉及到的粉体设备是推板炉。


7.辊压超细磨

      将推板炉烧好的物料输入超细磨，调节转速，进行辊压研磨后送入超细磨进行研磨。每批取样测试粒度。


      此过程包括两道工序，分别是超细磨、测粒度，涉及到的粉体设备是研磨机。


8.筛分、包装

将研磨物料进行筛分、包装。5Kg、25Kg两种规格。


      此过程包括两道工序，分别是筛分、包装，涉及到的粉体设备是筛分、包装机。

 

四、磷酸铁锂的地位


      锂离子电池因其具有能量密度高、自放电流小、安全性高、可大电流充放电、循环次数多、寿命长等优点，越来越多地应用于手机、笔记本电脑、数码相机、电动汽车、航空航天、军事装备等多个领域。


      国家工信部发布的《2016年1-9月我国电池制造业经济运行情况》中显示，2016年1-9月，我国电池制造业主要产品中，锂离子电池累计完成产量52.4亿自然只，同比增长32.8%；其中9月份当月完成产量8.0亿自然只，同比增长50.5%。锂离子产品主营业务收入同比增长28.4%，实现利润总额同比增长81.4%。汽车行业对锂离子电池的需求日益扩大，信息化时代的到来更是加速了锂离子电池的崛起。


      锂离子电池的正极材料种类较多，主要品种有钴酸锂、锰酸锂、镍锰钴三元材料及磷酸铁锂。其中，磷酸铁锂具有另外两种材料所不具备的循环寿命和材料成本方面的潜在优势（更高的安全性、更长的使用寿命、不含任何重金属和稀有金属、原材料成本低、支持快速充电、工作温度范围广），被业界普遍看好，代表着动力电池正极材料的未来发展方向。


五、粉体设备的市场方向


      不难发现，磷酸铁锂正极材料的制备工艺每个步骤都离不开粉体设备的参与，这就为粉体设备的未来提供了一个全新的方向。


      从石器时代到铁器时代，粉体设备无不扮演着重要的角色。随着粉体技术与设备的不断提高与积累，粉体实现了从微颗粒、超细化到纳米化再到功能化与复合化的发展。与此同时，面对能源日渐枯竭、资源不断减少、环境严重污染的紧迫局面，对于粉体设备来说，既是严峻的挑战，又是发展的机遇，粉体设备已担负起重大的、长远的责任。


六、涉及到的粉体设备厂商推荐汇总


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