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(jìn)實(shí)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(duì)比指出了鋰離子電池正極材料制造時(shí)通過工藝優(yōu)化實(shí)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(diǎn)成為市場公認(rèn)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(dòng)電話、筆記本電腦、攝像機(jī)、數(shù)碼、電動(dòng)工具、汽車、儲(chǔ)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(fù)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(dá)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(shì)來看，早期主要為技術(shù)競爭，而中、長期仍然還是需要重點(diǎn)關(guān)注成本競爭。在目前行業(yè)規(guī)模逐步增大的趨勢(shì)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(duì)現(xiàn)有鋰離子電池正極材料生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)或新工藝探索，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池正極材料制造成本的降低，并確認(rèn)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(gè)工序（圖三），可依據(jù)不同產(chǎn)品的性能需求而進(jìn)行不同順序的再次組合，以實(shí)現(xiàn)不同客戶對(duì)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(jìn)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(jìn)行工藝優(yōu)化、改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)正極材料制造成本的降低。因這三種方法具有較強(qiáng)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(shí)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(huì)影響產(chǎn)品性能，并且能夠有效實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能提升5-20%，實(shí)現(xiàn)制造費(fèi)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(shí)間來實(shí)現(xiàn)窯爐產(chǎn)能的提升。而合成時(shí)間是通過窯爐的推速/輥速（推板窯/輥道爐）來實(shí)現(xiàn)的，為了實(shí)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(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能的前后一致性。通過該方法能夠有效實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能提升15-30%，實(shí)現(xiàn)制造費(fèi)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(huì)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(shí)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(shí)采用液氧或工業(yè)制氧機(jī)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(shí)，通過將液氧或工業(yè)制氧機(jī)的氣源更改為壓縮空氣，或?qū)嚎s空氣更改為鼓風(fēng)機(jī)的方式，能夠有效降低耗氣成本，同時(shí)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(shí)，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(dá)到減少爐內(nèi)進(jìn)氧量的目的，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制備的耗氣成本。通過該方法能夠有效實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能提升10-20%，實(shí)現(xiàn)制造費(fèi)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(huì)因工藝設(shè)計(jì)等原因在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生篩上料、細(xì)粉、高鐵料等異常物料，而這些物料會(huì)作為廢料進(jìn)行報(bào)廢處理，不僅造成了成本的浪費(fèi)，而且作為廢料也會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面作用。為此，我們通過專項(xiàng)研究，針對(duì)這些異常料制定了對(duì)應(yīng)的處理方式，以實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”，降低浪費(fèi)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(shí)會(huì)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(jìn)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(jìn)行摻雜或包覆改善，以實(shí)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(xì)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(jìn)行解離而采用氣流磨、機(jī)械磨等破碎處理，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定比例的細(xì)粉，造成產(chǎn)品產(chǎn)出率低于100%。通過將細(xì)粉返回至起始階段，采用產(chǎn)品原有的工藝進(jìn)行摻雜或包覆處理，以實(shí)現(xiàn)細(xì)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(jìn)行除鐵處理，此時(shí)會(huì)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(jìn)行多次除鐵，實(shí)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(duì)各工序進(jìn)行新的工藝的探索、開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)與原有工藝相同或更佳的效果，同時(shí)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(shí)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(huì)影響產(chǎn)品性能，并且能夠有效實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能提升40-60%，實(shí)現(xiàn)制造費(fèi)用400-600元/噸的降低。

3.2 濕法除鐵工藝

通過將高鐵料進(jìn)行加水調(diào)漿后，采用管道除鐵器進(jìn)行濕法除鐵，烘干后進(jìn)行煅燒后處理，達(dá)到與同類產(chǎn)品相同的性能，實(shí)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(xì)粉單晶化工藝

通過將細(xì)粉進(jìn)行再次破碎后，采用單晶產(chǎn)品的工藝進(jìn)行摻雜或包覆，以實(shí)現(xiàn)細(xì)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(jìn)行工藝優(yōu)化、改進(jìn)，以實(shí)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(jìn)價(jià)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(jìn)氣源等方式實(shí)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。