新型高能廉价的正极材料对锂离子电池的发展至关重要

新型高能廉价的正极材料对锂离子电池的发展至关重要

磷酸铁锂与传统铅酸电池相比，能量密度更高，理论比容量可达/g，而铅酸电池为40mAh/g；安全性高，是目前最安全的锂离子电池正极材料，不含对人体有害的金属元素；寿命长，可在100%DOD下充放电2000次以上；充电性能好，价格低廉，绿色环保。

锂离子电池作为高性能的二次绿色电池，具有电压高、能量密度高（包括体积能量和质量比能量）、自放电率小、使用温度范围宽、循环寿命长、绿色环保、无记忆效应、可大电流充放电等优点。锂离子电池性能的提高很大程度上取决于电极材料性能的提高，特别是正极材料的性能提升。目前，研究最为广泛的正极材料有、和，但由于钴的毒性及资源有限、镍酸锂制备困难、锰酸锂循环性能和高温性能差等原因，它们的应用和发展受到限制。因此，开发新型高能量低成本的正极材料对锂离子电池的发展至关重要。

1、磷酸铁锂的性能

（1）能量密度高：其理论比容量为/g，产品实际比容量可超过/g（0.2C、25℃）；

（2）安全性：是目前最安全的锂离子电池正极材料；不含任何对人体有害的重金属元素；

（3）寿命长：在100%DOD条件下，可充放电2000次以上。原因：磷酸铁锂晶格稳定性好，锂离子的嵌入和脱出对晶格影响很小，因而可逆性好。缺点是电极离子导电性差，不适宜大电流充放电，在应用上受到阻碍。解决方法：在电极表面涂覆导电材料和掺杂剂，对电极进行改性。

磷酸铁锂电池的使用寿命与其工作温度息息相关，工作温度过低或过高都会在充放电过程和使用过程中造成很大的隐患。尤其在我国北方地区，秋冬季磷酸铁锂电池在电动车上使用时，无法正常供电或供电过低，需要调节工作环境温度才能保持其性能。目前国内对磷酸铁锂电池恒温工作环境的解决方案需要考虑空间限制的问题，比较常见的方案是采用气凝胶毡作为隔热层。

（4）充电性能：采用磷酸铁锂正极材料的锂电池可进行高倍率充电，最快1小时即可充满电。

2.磷酸铁锂生产工艺

1、磷酸铁的干燥脱水

先称量物料，加入去离子水，在搅拌罐内充分混合搅拌均匀，配料主要是磷酸铁，碳酸锂等材料。碳酸锂就不用说了，它是我们主要的锂源，它是一种无机化合物，化学式为，无色单斜晶体或白色粉末，密度2.11g/cm3，熔点723℃，溶于稀酸，微溶于水，在冷水中溶解度大于热水，不溶于酒精和丙酮。我们的磷铁主要来源于磷酸铁，又称磷酸亚铁、正磷酸亚铁，分子式为FePO4，白色、灰白色单斜晶体粉末，摩尔质量为150.82，溶于硫酸，难溶于其他酸，不溶于水、醋酸、酒精。

（1）烘干室烘干工序：将盛满原料磷酸铁的不锈钢匣钵放入烘干室，烘干室温度调节为220±

20℃，干燥6-10小时。物料转入下一道工序，在回转窑内烧结。

（2）回转窑烧结工序：回转窑升温、通氮气到要求的温度后，将物料（来自上一道工序的干燥室）送入。

材料)，调温至540±20℃，烧结8-12小时。

2.研磨机混合过程

正常生产时，两台磨粉机同时投入运行，两台设备具体进料、操作相同（调试时也可一台单独操作），步骤如下：

（1）碳酸锂研磨：称取碳酸锂13kg，蔗糖12kg，纯净水50kg，混合研磨1-2小时。暂停。

（2）混合研磨：将磷酸铁50kg、纯水25kg加入上述混合溶液中，混合研磨1-3小时，停机将物料转入分散机，取样测定粒度。

（3）清洗：称取100公斤纯净水，清洗研磨机3-5次。将洗液全部转移到分散机中。

3.分散机物料分散过程

（1）将2.2中两台研磨机混合均匀的物料（或一台研磨机两次混合的物料）约500kg（包括清洗研磨机的物料）转入分散机中，加入纯水100kg，调节搅拌速度，充分搅拌分散1-2小时，等待泵泵入喷雾干燥设备中。

4.喷雾干燥工艺

搅拌好的胶料被压力喷出，经过喷雾干燥机后成为所需的颗粒。喷雾干燥机是一种能同时完成干燥和造粒的设备，根据工艺要求，可调节液泵的压力、流量、喷孔大小，从而得到所需一定粒度比的球形颗粒。其工作原理是空气经过滤、加热后，进入干燥机顶部的空气分配器，热风呈螺旋状进入干燥室。液料经过塔体顶部的高速离心雾化器，（旋转）喷成极细微的雾状液珠，在与热空气平行接触的条件下，在极短的时间内即可干燥为成品。成品连续地从干燥塔底部、旋风分离器输出，废气由引风机排出。

（1）调节喷雾干燥设备进料温度为220±20℃，出口温度为110±10℃，进料速率为80Kg/hr，启动进料喷雾干燥，得到干燥物料。

（2）根据喷雾颗粒大小，可调整固含量为15%~30%。

5、液压机物料压块装料将液压机压力分别调节为150吨、175吨，将喷雾干燥后的物料装入模具内，保压一定时间，压实成块。装入匣钵内，转入推板炉内。同时放入几组散装样品，与压成块的材料进行对比。

6.推板炉烧结

采用锂电池辊道炉对烘干后的物料进行烧结。市场上先进的辊道炉采用先进的红外技术、先进的炉体材料，提高设备的热效率；采用先进的控温技术，保证控温的准确性；采用成熟的炉体设计技术，保证炉温的均匀性；采用科学合理的传动机构，保证推板运行平稳。先升温，通氮气，达到气氛要求，将匣钵推入推板炉，按照300-550℃升温段4-6小时；750℃恒温段8-10小时；降温段6-8小时进行出料。

7.滚筒超细粉碎

使用气流磨设备对烧结后的物料进行粉碎。气流磨的工作原理：压缩空气经拉瓦尔喷嘴加速成超音速气流后喷入粉碎区，使物料流化（气流膨胀成流化床悬浮沸腾并相互碰撞），因此每个颗粒具有相同的运动状态。在粉碎区，被加速的颗粒在各个喷嘴和粉碎器的交汇处相互碰撞。粉碎后的物料被上升的气流输送到分级区，符合粒度要求的细粉由水平布置的分级通道筛分出来，不符合粒度要求的粗粉则返回粉碎区继续粉碎。合格的细粉随气流进入高效旋风分离器并被收集，含尘气体经除尘器过滤净化后排入大气。

8.混合分类

粉碎后的磷酸铁锂粉末混合后，根据颗粒大小进行分级，根据我们的需求，过大的颗粒再进行分级。制药行业经常会用到粉体混合设备，常见的混合设备有双螺旋锥形混合机、卧式无重力混合机、卧式犁刀混合机等。然后研磨好的物料进行筛分包装，有5Kg、25Kg两种规格。

9.烘焙

合格的磷酸铁锂粉末经过烘烤除去水分，一般采用双锥干燥机，其工作原理是：双锥干燥机为双锥旋转罐体，在真空状态下，夹套内通入蒸汽或热水加热，热量通过罐体内壁与湿物料接触，湿物料吸热后蒸发的水蒸气由真空泵通过真空排气管抽走。由于罐体处于真空状态，罐体的旋转使物料不断上下、内外翻动，加快了物料的干燥速度，提高了干燥效率，达到了均匀干燥的目的。

10.检验入库

干燥后的粉末经检验合格后，进入成品包装设备进行包装。产品检验、贴标、入库。包括：产品名称、检验员、物料批次、日期。