劉 勇，崔俊葳，尹 勇

（中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410021）

正極材料是生產鋰離子電池的關鍵原料，正極材料的性能指標直接決定鋰離子電池的成本、能量密度、循環(huán)壽命、安全性能［1］。與錳酸鋰、磷酸鐵鋰等其它儲能及動力電池用正極材料相比，三元正極材料具有比容量高、振實密度大、能量密度高等特點。

1 項目設計依據(jù)

生產NCM622正極材料的化學反應方程式如下：

生產NCM811正極材料的反應方程式如下：

從化學反應方程式可以清晰地看出，普通三元正極材料生產工藝和高鎳三元正極材料生產工藝的區(qū)別主要集中在原料和氣體上。普通的三元正極材料更傾向于用碳酸鋰作為鋰源，而高鎳三元正極材料卻更適合用氫氧化鋰。碳酸鋰的熔點為720℃，而單水氫氧化鋰的熔點僅為471℃，在燒結過程中熔融的氫氧化鋰可與三元前驅體更均勻、充分的混合，從而減少表面鋰殘留，提升材料的放電比容量。采用氫氧化鋰和較低的燒結溫度還可減少陽離子混排，提升循環(huán)穩(wěn)定性。相比之下，碳酸鋰的燒結溫度往往需達到900℃以上才能得到性能穩(wěn)定的材料，而高鎳三元材料要求燒結溫度不宜過高，否則影響倍率性能。制備高鎳三元材料要求燒結溫度適中，NCM811需要燒結溫度至少控制在800℃以下。目前合成高鎳三元材料的方法主要是高溫固相燒結法，其難點為Ni3+/Ni4+與O有能帶重疊，所以在脫鋰狀態(tài)，晶格O會從晶格中脫出；Ni2+/Li+混排，結構不穩(wěn)定；對環(huán)境濕度和CO2敏感，表面堿性高；穩(wěn)定性、安全性能差，儲存、加工條件苛刻，所以必須在氧氣氣氛中進行燒結。

高鎳三元正極材料和普通的三元正極材料工藝流程類似，三元正極材料生產工藝流程如下：將三元前驅體、鋰鹽、添加劑等原料按比例進行稱量后加入混合機中進行配混料，再加入匣缽后進入窯爐進行一次燒結，燒結后進行粗破碎、細破碎，再進行包覆后干燥、二次燒結，最后進行批混、篩分除雜包裝［2，3］。

某高鎳三元正極材料生產工藝流程如圖1所示，NCM622三元材料和NCM811三元材料對應物料平衡詳見表1和表2。

表1 NCM622三元材料生產線物料平衡表t/a

表2 NCM811三元材料生產線物料平衡表t/a

圖1 高鎳三元正極材料生產工藝流程

2 設備選型

2.1 混料設備

目前常用的混料設備有臥式螺帶混機、高速混合機、錐形混合機、犁刀飛刀混合機。臥式螺帶混合機根據(jù)筒體形式有U型螺帶混和圓型螺帶混，其中U型螺帶混是最常用的形式，具有最大的混合容量且容易清理，圓型筒體真空或帶壓狀態(tài)下常采用，應用冷熱夾套時，有最大的傳熱和冷卻面積。

2.2 窯爐

鋰離子電池正極材料高溫固相合成技術生產工藝中，窯爐燒結過程是一個很重要的工藝階段。將鎳鈷錳三元前驅體和氫氧化鋰的混合物加入輥道窯里進行固相熱處理，溫度約為800～850℃，并通入氧氣防止產品產生氧缺陷。作用主要是氫氧化鎳鈷錳前驅體與氫氧化鋰在高溫下分解，經過高溫保溫、鋰離子遷移到鎳鈷錳三元前驅體氧化物內部生成三元材料。

單臺窯爐年產能=窯爐長度/燒結時間/匣缽邊長×列數(shù)×層數(shù)×裝缽量×收得率×每天小時數(shù)×每年天數(shù)×系數(shù)/1 000

2.3 外軌循環(huán)線

用于材料的燒結輥道爐配套典型自動循環(huán)線系統(tǒng)由傳輸線體、進/出口大換向工位、小換向工位、卸料工位、升降工位、上料工位、切塊工位、分疊缽工位構成。實現(xiàn)匣缽攜熟料出爐后，經自動卸料、上生料、切塊等工序將匣缽輸送至輥道爐進口的自動循環(huán)生產功能。

2.4 粉碎設備

在高純材料尤其是電池正、負極材料生產過程中，都離不開燒結，燒結后物料都成塊狀或顆粒狀，在進入氣流粉碎或機械粉碎時一般要求物料在10目以上，因此燒結料必須進行預粉碎打散。

預粉碎打散設備主要有旋輪磨機、雙對輥，塊狀物料進入物料倉，先經過強力擠壓破碎進入輸送系統(tǒng)，物料輸送到陶瓷粉碎研磨筐，經氧化鋯陶瓷磨盤打散粉碎至所需粒度，粒度可達-1 mm。旋輪磨機進料粒度大，出料粒度均勻，產量高，且無磁性物質污染。

經粗粉碎后的粉體通過氣力輸送至氣流磨機進行精細化粉碎。氣流粉碎機是根據(jù)物料的自磨進行粉碎的，粉碎腔內壁采用陶瓷內襯，基本上可以防止金屬雜質的污染。

2.5 高鎳三元正極材料與普通三元材料的設備選型差異

高鎳三元使用的鋰鹽為氫氧化鋰，由于氫氧化鋰的理化特性，氫氧化鋰和前驅體的分散混合均勻難度較大，若是提高轉速容易破壞形貌，所以在混合設備上選型會有差異。

高鎳三元正極材料必須在氧氣氣氛中燒結和鋰鹽為氫氧化鋰，因此窯爐需要耐氧氣腐蝕、耐堿腐蝕。

由于高鎳三元材料對濕度高度敏感，包裝工序最好采用全自動化和連續(xù)包裝，物料輸送與儲存要求采用密封管道和密封儲罐。

3 三元正極材料廠房平面布置方式探討

目前三元正極材料廠房的布置方式有多層廠房、流線型單層廠房、凸字型廠房、凹字型廠房、L型廠房等布置形式，所述廠房形狀如圖2～圖5所示。

圖2 多層廠房布置

圖5 凹字型廠房、L型廠房布置

多層廠房采用多層布置窯爐的方式，此種布置方式節(jié)約用地，但不利于廠房散熱。流線型單層廠房按工藝流線布置，物料順暢，但一燒窯爐和二燒窯爐數(shù)量不匹配，物料一端進一端出，倉庫需設置兩個以上，否則倉儲距離較遠。凹字型廠房物料一端進一端出，倉庫需設置兩個以上，否則倉儲距離較遠。凸字型廠房、L型廠房布局緊湊，窯爐散熱方便，粉料線集中，便于管理。

圖3 流線型單層廠房布置

圖4 凸字型廠房布置

在粉料區(qū)域一般采用自上而下的結構設計，盡量依靠粉體物料本身的重力下料，減少粉體物料輸送所需要的動力，同時也減少占地面積。粉料區(qū)域層數(shù)目前有分別有三層、四層、五層布置方式。其中三層布置方案土建成本偏低，使用不方便；五層布置方案土建成本偏高、設備凈空減少。

4 公用工程設計

4.1 設備材質要求

在鋰離子電池材料生產過程中，要求物料不能受鐵、銅、鋅、鋁等金屬單質的污染，因此設備、管道、橋架、母線、箱體等的材質選用至關重要。根據(jù)與物料的接觸程度，可采取不同的處理方式，如直接跟物料接觸的采取非金屬材質或加涂層、不直接接觸的部件采取物理隔離的措施，如采用陶瓷材料、刷漆或包裹等方式。需要根據(jù)物料的接觸情況選擇不同的材料或表面處理方式，既節(jié)約成本又滿足產品質量要求，防止外部引入磁性異物。

4.2 土建設計

NCM三元材料生產車間，生產火災危險性類別為丁類，結構形式為鋼筋混凝土框架結構。車間地面采用金剛砂耐磨混凝土固化劑地面，一層地面荷載：30.0 kN/m2；二層、三層樓面：10.0 kN/m2；局部設備區(qū)域根據(jù)設備荷載單獨設計。

4.3 通風除塵

一次熱處理工段和二次熱處理工段要求做通風設計，用于降低夏天因爐窯使車間溫度過高，改善工人工作環(huán)境和控制產品質量均一性，車間內溫度控制在40℃以內。

為防止外部粉塵進入車間和金屬異物的管控要求，要求廠房內生產設備區(qū)域保持微正壓5～10 Pa，配電房、電梯間保持微負壓5～10 Pa。

包裝工段設置獨立的除濕機，要求濕度控制在露點-45℃，溫度15～28℃。且在前期混料及后期破碎、包裝等工段生產過程中有微小顆粒的原材料逸散，需要對其除塵和回收。

4.4 電氣設計

負荷分類：本廠房室外消防負荷為三級負荷，可采用單回路電源供電。封閉樓梯間應急照明、變配電房照明、防排煙風機、防火卷簾屬于三級消防負荷，廠房普通照明、插座、工藝、動力等其他配電屬于非消防三級負荷。

配電設計：工藝設備及冷凍水、冷卻水、動力設備其單臺設備負荷較大，一般采用母線為干線，插接箱后采用電纜配電。

工藝照明：分為2種情況：（1）工藝設備從頂層至一層投料，頂板有開洞；（2）窯爐區(qū)窯爐設備比較寬（3 m），比較高（3 m以上），燈具如果安裝在窯爐爐身的上方，再加上窯爐外輥的影響，不利于燈具后期的檢修，基于以上原因，廠房內的照明采用側壁彎管燈及頂棚燈相結合的方式照明。

5 三元正極材料廠房金屬異物管控

隨著新能源電池產業(yè)和技術的發(fā)展，電池產業(yè)規(guī)?；a逐漸形成，電池產業(yè)化生產對上游鋰電池正極材料生產從規(guī)模和質量提出了更高的要求，從品質系統(tǒng)、產品設計管理、正極活性材料控制、校準與維護管理、物料存儲、RoHS職業(yè)安全與環(huán)境、金屬雜質管控、社會責任多個方面對正極材料工廠進行驗廠。

銅、鋅、鐵等金屬單質對鋰離子正極材料的性能影響最大，為防止金屬單質對正極材料的污染，鋰離子正極材料及前驅體中必須嚴格控制金屬單質的含量。國外知名的鋰離子電池廠家采購的正極材料，要求金屬單質的含量低于20×10-9，所以在正極材料及前驅體生產線上一般嚴禁使用含銅、鋅、鐵等金屬單質的設備、管材及其附件裸露。正極材料及前驅體生產工序較多，制造過程中的每一個環(huán)節(jié)都會有金屬異物帶入的風險，這就對材料供應商的設備自動化程度及現(xiàn)場質量管理水平提出了更高要求。

銅、鋅、鐵等金屬單質的引入主要由原材料中帶入，制造過程中金屬設備帶入，生產環(huán)境中由于機器磨損、門窗開關磨損、設備外殼、管道及支架的老化、破損造成空氣中微量金屬單質的帶入，因此要求原材料廠家預先除銅鐵鋅，所有與物料接觸的工藝設備采用非金屬陶瓷部件或內襯和涂覆陶瓷或特氟龍涂層，生產車間內設備外殼、管道及支架嚴禁使用含銅、鋅、鐵等金屬單質的設備外殼、管材及其附件。

6 結 論

通過對正極材料工藝流程、物料平衡計算、設備選擇、廠房的設計介紹，分析并探討了正極材料類產品廠房所需條件，包括先進的設備、合理完善的工藝，優(yōu)化的公輔設施配套系統(tǒng)，為提升該類產品的技術水平和制造能力提供了一個參考方案。