第1章  鋰離子電池材料及制備工藝   1

1.1  電池的分類   2

1.2  二次電池的分類   3

1.3  鋰離子電池的結構及工作原理   6

1.4  鋰離子電池的主要材料  
8

1.4.1  正極材料   8

1.4.2  負極材料   9

1.4.3  隔膜   10

1.4.4  電解液   11

1.5  常見的鋰離子電池正極材料及其制備技術   12

1.5.1  鈷酸鋰   12

1.5.2  錳酸鋰   13

1.5.3 材料   13

1.5.4  磷酸鐵鋰   16

第2章  控制結晶技術制備高性能正極材料前驅體   19

2.1  正極材料規模制備技術的發展簡介   20

2.2  影響正極材料性能的要素   23

2.3  控制結晶技術的原理   27

2.3.1  晶體的成核   28

2.3.2  晶體的生長   36

2.4  控制結晶技術的設備與工藝   37

2.4.1  典型正極材料的控制結晶制備工藝   44

2.4.2 材料前驅體的陳化及陳化釜   48

2.4.3 前驅體的干燥工藝與設備   49

2.5  控制結晶-固相反應技術的經濟性分析   53

第3章  生產過程中重要工藝參數的檢測   55

3.1  溫度測量   56

3.1.1  熱電偶測溫   56

3.1.2  熱電阻測溫   57

3.1.3  非接觸式測溫   59

3.1.4  通用型溫度控制儀表   60

3.2  粒度檢測   61

3.3  流量檢測   63

3.3.1  熱式氣體質量流量計   64

3.3.2  科氏力質量流量計   65

3.4  物料位置的測量和檢測   67

3.4.1  電容式料位計   68

3.4.2  射頻導納式料位計   68

3.4.3  音叉式料位計和振棒式料位計   70

3.4.4  阻旋式料位計   71

3.5  壓力檢測   72

3.6  粉塵濃度檢測   74

3.6.1  摩擦靜電測量法   74

3.6.2  光測量法   75

第4章  原料的投放、混合、粉磨和輸送   77

4.1  原料處理工藝   78

4.1.1  原料的投放   78

4.1.2  原料的貯存   83

4.1.3  原料的破碎及粉磨   85

4.1.4  原料的混合   90

4.2  物料的氣力輸送   92

4.2.1  吸送式氣力輸送   93

4.2.2  壓送式氣力輸送   100

4.2.3  氣力輸送的運行技術   105

4.3  設備材料的要求   108

4.4  混合、破碎、粉磨、輸送設備的傳動和控制   110

第5章  煆燒及窯爐   115

5.1  窯爐   116

5.1.1  推板窯   116

5.1.2  輥道窯   121

5.1.3  鐘罩窯   123

5.1.4  回轉窯   126

5.2  煆燒運行   126

5.2.1  裝缽設備   128

5.2.2  卸缽設備   129

5.3  機械輸送設備   131

5.4  幾種裝卸缽機械的實體圖樣   132

第6章  正極材料的生產和計量   137

6.1  正極材料生產中的特殊性   138

6.1.1  金屬單質的危害   138

6.1.2  水分含量的控制   139

6.1.3  自動化生產過程中的應對手段   139

6.2  稱重計量   140

6.2.1  稱重傳感器的選擇和應用   141

6.2.2  電阻應變式稱重傳感器和數字式稱重傳感器   143

6.2.3  稱重傳感器的結構型式   144

6.3  稱重傳感器的應用技術   148

6.3.1  數量   148

6.3.2  位置   148

6.3.3  安裝要求   149

6.3.4  量程的選擇   150

6.3.5  準確度等級的選擇   151

6.4  稱重電子衡器的精確度   152

6.4.1  固定式電子衡器的精確度   152

6.4.2  自動定量衡器的精確度   154

6.4.3  稱重計量裝置的標定和調校   154

6.5  正極材料生產線上典型的稱重計量裝置   157

6.5.1  生產線上稱重計量裝置的連接   160

6.5.2  生產線上眾多稱重計量裝置的集中管理   165

第7章  自動化生產線上的其他設備   167

7.1  自動稱重   168

7.2  自動上袋機   169

7.3  自動抽真空和熱合封口機   170

7.4  自動貼標機和噴墨打印機   172

7.5  自動碼垛機和纏包機   174

第8章  鋰離子電池正極材料生產過程中的安全防護   177

8.1  氣體防爆和粉塵防爆   178

8.1.1  爆炸性氣體   178

8.1.2  爆炸性粉塵   179

8.2  防爆措施   180

8.2.1  避免點火源   180

8.2.2  防止靜電火花   181

8.2.3  防止明火和自燃   183

8.3  防爆電氣設備的選型   184

8.4  電氣接地繫統   186

8.5  粉體的密封式灌裝   189

8.6  粉體搭拱架橋的防止   192

8.6.1  結構設計中需要考慮的問題   192

8.6.2  采用恰當的活化措施和選用合適的破拱器具   193

8.6.3  破拱裝置的安裝位置和振動力的調節   196

8.7  粉料包裝時的脫氣和密實化   197

8.8  防止金屬單質對正極材料的污染   199

第9章  生產線自動控制繫統的設計   203

9.1  工藝流程圖的設計   204

9.2  自控繫統的總體設計考慮   209

9.3  工業控制網絡   210

9.4  現場總線和工業以太網   212

9.5  監控軟件畫面制作與操作   215

9.6  國內外監控軟件現狀與發展趨勢   216

9.7  監控軟件的功能與作用   217

9.8  監控畫面制作的一般步驟   218

9.9  常用報表編制方法   219

9.10  自動化生產的遠程監控和診斷   220

9.10.1  設備遠程監控與診斷維護技術的結構與功能   220

9.10.2  實現遠程監控與診斷維護技術的關鍵技術   223

第10章  鋰離子電池正極材料生產中的智能化控制與管理   227

10.1  鋰電行業發展需要電池材料的智能制造   228

10.2  產品的標識和信息管理   230

10.2.1  一維碼   231

10.2.2  二維碼   232

10.2.3  射頻識別(RFID)裝置   233

10.2.4  無線網絡在自動化生產線上的應用   234

10.3  先進制造執行繫統(MES)的應用   236

10.4  鋰離子電池正極材料規模生產線的行業特點   237

10.5  南大紫金公司NMES功能模塊介紹   238

10.6  鋰離子電池產業技術的革命   241

第11章  工藝、設備、材料及繫統提供商   245

參考文獻   266

作為可規模化應用儲能器件中能量密度的二次電池，鋰離子電池已覆蓋了絕大部分移動通信和數碼產品市場，並對其技術進步產生重要的影響。近年來，隨著性能和制作水平的提高，鋰離子電池開始應用於綠色環保的新能源電動汽車和其他電動交通工具，成為新能源產業中非常重要的一個產品，國際市場對鋰離子電池的需求量已開始呈井噴態勢。

正極材料是鋰離子電池的核心關鍵材料，決定了鋰離子電池的性能和成本，因此，加快高性能正極材料及高效低成本生產技術的研發，是當前世界各國科技界和生產廠商努力的方向。我國鋰離子電池正極材料的生產量已躋身於世界的前列，但技術和生產工藝水平與國外一流企業相比還有相當大的差距。因此我們除了在理論和工藝上著力開發高效正極材料結構、研究制作工藝外，還亟需在生產技術和智能化生產方面加大研發力度。

當前鋰離子電池正極材料的大規模生產主要采用“濕法制備前驅體—高溫固相合成”技術路線。眾多生產企業針對這種工藝方法投入了大量資源和人力，使得該技術日臻完善。然而，我國還是一個發展中國家，設備陳舊、生產工藝僵化的現像普遍存在，國家工業化整體的水平還處在工業2.0或工業3.0的階段，距工業4.0的信息工業化還有一段距離。這是阻礙我國制造業效率和品質的主要問題，這個現像也同樣存在於鋰離子電池正極材料生產企業中。因此，我國鋰離子電池正極材料的生產工藝、設備管理水平亟需轉型升級，利用信息技術提升、改善、重構生產要素，提高企業組織管理水平，創新生產方式，提升資產質量和服務功能，以適應市場的迅速發展和變化。

本書主要介紹鋰離子電池正極材料的工藝和技術，重點介紹大規模生產中高溫固相合成工段的自動控制技術和設備，並探索如何在生產中引進信息化技術和先進的制造執行繫統(MES)。

本書由清華大學核能與新能源技術研究院的何向明、王莉，江蘇南大紫金鋰電智能裝備有限公司的虞蘭劍，以及南大紫金科技有限公司的虞思源和楊濟航編著。其中，由王方芳編輯、制圖，陸涇編寫第7章，趙永銀編寫第9章，陳玉編寫第10章。本書在編寫過程中得到徐建波、袁紅東的大力支持，宜文提供了很多自動設備的圖片。此外，參與本書編寫的還有謝樂瓊、趙雲、王正陽、王騰躍、孫敏敏，在此表示誠摯的感謝。本書在編寫過程中還參閱了很多文獻和資料，感謝相關專家和作者分享研發成果。

由於編者水平有限，書中如有不足或有待進一步討論和改進之處，懇請廣大專家和讀者給予批評指正。

編  者

2017年6月