了得網工業技術_鋰離子材料:工藝技術及生產應用

編輯推薦

筆者在這個領域躬耕10年，目前是業內翹楚，在我們的爭取下，筆者今將10年理論與實踐經驗彙集出書以饗讀者。

內容簡介

《鋰離子材料—工藝技術及生產應用》是國內*條自主設計制造的鋰材料生產線、國內材料企業十年來專材料產業化的成果總結。

本書將實際經驗與合成理論相結合，總材料制造各個環節的基本原理和工藝特點，材料的市場前景進行了詳細分析。具體內容材料的特材料合成理論和研發方材料相關金屬資材料前驅體制備、成品煆燒和粉體制材料關鍵技術指標控制優材料檢測方材料應用技術、應用領域、市場前景和專利分析。

《鋰離子材料—工藝技術及生產應用》既有豐富具體的實踐內容，又有相適應的理論分析，是從事新能源汽車、鋰離子電池、鋰離子電池正極材料以及正極材料相關原材料和礦產資源投資開發、行業研究人員的重要參考書；更是從事正極材料產品研發、設計、生產、銷售的技術人員、管理人員、教學人員、分析檢測人員、相關研究生和本科生的工具書。

作者簡介

王偉東博士簡介
深圳市天驕科技開發有限公司總經理。1988年畢業於中南大學獲碩士學位。1995年畢業於英國帝國學院，獲電化學工程博士學位。在加拿大，新加坡，和新西蘭從事多年高能鋰離子電源的開發生產工作。在加拿大工作期間開發的鋰離子電池技術被加拿大產業界成功應用於生產，1997年獲得“加拿大國家研究院新技術產業化獎”。
2004年和投資者共同創建深圳市天驕科技開發有限公司。首次自主設計制造了國內首條鋰材料生產線，實現了鎳鈷錳酸鋰材料的產業化。
曾獲得國務院頒發的第二屆百名華人華僑專業人士“傑出創業獎”、深圳市龍崗區科技創新獎區長獎、2011年被認定為深圳市海外高層次人纔。
王偉東博士簡介

深圳市天驕科技開發有限公司總經理。1988年畢業於中南大學獲碩士學位。1995年畢業於英國帝國學院，獲電化學工程博士學位。在加拿大，新加坡，和新西蘭從事多年高能鋰離子電源的開發生產工作。在加拿大工作期間開發的鋰離子電池技術被加拿大產業界成功應用於生產，1997年獲得“加拿大國家研究院新技術產業化獎”。

2004年和投資者共同創建深圳市天驕科技開發有限公司。首次自主設計制造了國內首條鋰材料生產線，實現了鎳鈷錳酸鋰材料的產業化。

曾獲得國務院頒發的第二屆百名華人華僑專業人士“傑出創業獎”、深圳市龍崗區科技創新獎區長獎、2011年被認定為深圳市海外高層次人纔。

仇衛華：北京科技大學退休教師，現任深圳天驕科技有限公司首席技術專家。1976年12月畢業於北京鋼鐵學院冶金物理化學專業（現北京科技大學）。1977-1978年在中南大學化學繫冶金部物理化學教師進修班學習。畢業後主要從事本科生和研究生的教學工作及科研工作。從事過電鍍非晶態合金，瀝青基活性碳纖維的制備和應用等科研項目。從1990年開始從事鋰電池關鍵材料的研究和開發工作。1993年在美國賓西法尼亞大學進行了鋰離子電池負極材料的合作研究。20多年來研究過鋰離子電池正、負極材料和電解質材料。取得一項美國專利，作為申請人申請國家發明專利十餘項，已授權十項，在國內外核心刊物發表學術論文80餘篇，SCI和EI收錄40餘篇。

丁倩倩：深圳市天驕科技開發有限公司研發中心副主任。畢業於中南大學，2007年加入深圳市天驕科技開發有限公司，一直材料研發、生產相關工作。主持和參與天驕NCM523、NCM701515、NCA等材料的開發，並成功實現產業化；申請國家發明專利6項；材料相關文章7篇。

1概述
1.1鋰離子電池工作原理及基本組成/ 001
1.1.1鋰離子電池工作原理/ 001
1.1.2鋰離子電池組成/ 002
1.2相關術語/ 006
1.2.1電池的電壓/ 006
1.2.2電池的容量和比容量/ 007
1.2.3電池的能量和比能量/ 008
1.2.4電池的功率和比功率/ 009
1.2.5充放電速率/ 010
1.2.6放電深度/ 010
1.2.7庫侖效率/ 010
1.2.8電池內阻/ 010
1.2.9電池壽命/ 0101概述

1.1鋰離子電池工作原理及基本組成/ 001

1.1.1鋰離子電池工作原理/ 001

1.1.2鋰離子電池組成/ 002

1.2相關術語/ 006

1.2.1電池的電壓/ 006

1.2.2電池的容量和比容量/ 007

1.2.3電池的能量和比能量/ 008

1.2.4電池的功率和比功率/ 009

1.2.5充放電速率/ 010

1.2.6放電深度/ 010

1.2.7庫侖效率/ 010

1.2.8電池內阻/ 010

1.2.9電池壽命/ 010

參考文獻/ 011

2鋰離子電池正極材料簡介

2.1層狀正極材料/ 014

2.1.1LiCoO2正極材料/ 014

2.1.2LiNiO2正極材料/ 020

2.1.3層狀LiMnO2材料/ 026

2.2高容量富鋰材料/ 028

2.2.1富鋰材料的結構特征/ 029

2.2.2富鋰材料的電化學性能/ 030

2.2.3富鋰材料存在問題及其改性/ 031

2.2.4富鋰材料的研發方向/ 033

2.3尖晶石錳酸鋰/ 035

2.3.14V尖晶石錳酸鋰/ 035

2.3.25V尖晶石鎳錳酸鋰/ 039

2.4聚陰離子正極材料/ 043

2.4.1LiMPO4（M=Fe，Mn）材料/ 043

2.4.2Li3V2(PO4)3材料/ 048

2.4.3LiVPO4F材料/ 050

2.4.4硅酸鹽類材料/ 051

參考文獻/ 058

3.正極材料的結構及電化學性能/ 068

3.1.材料的結構/ 068

3.1.材料的電化學性能/ 070

3.材料存在問題及改性/ 076

3.2.材料存在的問題/ 076

3.2.材料的改性/ 079

3.材料研發方向/ 086

3.3.1高材料（NCA）的研究/ 087

3.3.2高材料的研究/ 090

3.3.3合成方法的改進/ 091

3.3.4材料匹配的電解液添加劑的研究/ 093

參考文獻/ 095

4.1全球二次電池產能及消耗/ 099

4.2鋰離子電池應用領域及市場分析/ 100

4.3鋰離子電池常見類型/ 101

4.材料應用和市場預測/ 103

4.4.13C數碼/ 103

4.4.2移動電源/ 105

4.4.3電動工具/ 106

4.4.4電動自行車/ 108

4.4.5電動汽車/ 109

4.4.6通信/ 116

4.4.7儲能/ 118

4.4.8電子煙/ 120

4.4.9可穿戴/ 121

4.材料的應用實例/ 122

4.5.1倍率型18650圓柱電池/ 122

4.5.2能量型18650圓柱電池/ 123

4.5.310A·h和20A·h動力軟包電池/ 124

4.5.材料電池組在電動汽車上的應用/ 125

4.5.材料電池組在電動大巴上的應用/ 126

參考文獻/ 128

5.1全球鋰離子電池正極材料對金屬資源的消耗/ 129

5.2金屬價格波材料成本的影響/ 137

5.3鋰資源/ 137

5.3.1世界及中國鋰資源/ 138

5.3.2碳酸鋰、氫氧化鋰生產商/ 140

5.3.3鋰的用途及消費/ 143

5.4鎳資源/ 144

5.4.1世界及中國鎳資源/ 144

5.4.2硫酸鎳生產商/ 146

5.4.3鎳的用途與消費/ 147

5.5鈷資源/ 148

5.5.1世界及中國鈷資源/ 149

5.5.2硫酸鈷生產商/ 150

5.5.3鈷的用途及消費/ 151

5.6錳資源/ 153

5.6.1世界及中國錳資源/ 153

5.6.2硫酸錳生產商/ 153

5.6.3錳的用途及消費/ 154

5.7金屬回收利用/ 154

5.7.1廢舊電池的預處理分選工藝/ 155

5.7.2有價金屬的回收利用工藝/ 156

參考文獻/ 159

6.1合成方法概述/ 161

6.1.1溶膠-凝膠法/ 161

6.1.2水熱與溶劑熱合成方法/ 163

6.1.3微波合成/ 165

6.1.4低熱固相反應/ 167

6.1.5流變相反應法/ 168

6.1.6自蔓延燃燒合成/ 169

6.2共沉澱反應/ 170

6.2.1基本概念/ 170

6.2.2工藝參數對M(OH)2（M=Ni，Co，Mn）前驅體的影響/ 173

6.3高溫固相反應/ 177

6.3.1高溫的獲得和測量/ 177

6.3.2高溫固相合成反應機理/ 178

6.3.3高溫固相合成反應中的幾個問題/ 180

6.3.4高溫固相合成反應應用實例/ 181

參考文獻/ 186

7前驅體制備工藝及設備

7.1前驅體制備流程圖及過程控制/ 189

7.2主要原材料/ 191

7.2.1硫酸鎳（NiSO4·6H2O）/ 191

7.2.2硫酸鈷（CoSO4·7H2O）/ 193

7.2.3硫酸錳（MnSO4·H2O）/ 196

7.3純水設備/ 197

7.3.1水中的雜質[9]/ 197

7.3.2前驅體純水水質要求/ 198

7.3.3純水制備/ 199

7.4氮氣/ 200

7.5前驅體反應工藝/ 202

7.5.1氨水濃度/ 202

7.5.2pH值/ 203

7.5.3不同組分前驅體的反應控制/ 208

7.5.4反應時間/ 210

7.5.5反應氣氛/ 212

7.5.6固含量/ 213

7.5.7反應溫度/ 215

7.5.8流量/ 215

7.5.9雜質/ 215

7.6攪拌設備/ 216

7.6.1材質的選擇/ 216

7.6.2攪拌器選擇/ 217

7.6.3反應釜/ 220

7.7自動化反應控制/ 220

7.7.1pH值自動控制/ 220

7.7.2溫度控制/ 223

7.7.3常用控制件選型/ 225

7.8過濾洗滌工藝及設備/ 226

7.8.1成餅過濾原理/ 226

7.8.2過濾介質/ 227

7.8.3過濾設備/ 229

7.9干燥工藝及設備/ 231

7.9.1干燥工藝/ 231

7.9.2干燥設備/ 232

7.10前驅體的各項指標及檢測方法/ 236

參考文獻/ 237

8成品制備工藝及設備

8.1成品制備工藝和過程檢驗/ 239

8.2鋰源/ 240

8.2.1碳酸鋰/ 241

8.2.2氫氧化鋰/ 243

8.3鋰化工藝及稱量設備/ 245

8.3.1鋰化工藝/ 245

8.3.2稱量設備/ 248

8.4混合工藝及設備/ 249

8.4.1混合設備分類/ 250

8.4.材料混合設備的選擇/ 250

8.4.材料常見混合設備/ 251

8.4.4高速混合機和球磨混合機對比/ 254

8.5煆燒設備/ 255

8.5.1輥道窯/ 255

8.5.2輥道窯和推板窯性能對比/ 260

8.5.3匣缽/ 262

8.5.材料匣缽自動裝卸料繫統簡介/ 263

8.6煆燒工藝/ 266

8.6.1煆燒溫度和時間/ 266

8.6.2燒失率和煆燒氣氛/ 269

8.6.3匣缽層數和裝料量/ 270

8.7前驅體對煆燒工藝及成品性能的影響/ 272

8.7.1前驅體的氧化/ 273

8.7.2粒度分布/ 273

8.7.3形貌/ 274

8.8粉碎工藝及設備/ 275

8.8.1粉碎設備的分類/ 275

8.8.2材料粉碎設備/ 275

8.8.3粉碎工藝/ 279

8.9分級、篩分和包裝/ 282

8.9.1分級/ 282

8.9.2篩分/ 282

8.9.3包裝/ 284

8.10磁選除鐵/ 285

8.10.1磁選除鐵設備/ 285

8.10.2磁選除鐵案例/ 286

8.11成品的各項指標及檢測方法/ 287

8.1材料關鍵指標控制方法/ 289

8.12.1容量/ 289

8.12.2倍率/ 289

8.12.3遊離鋰/ 291

8.12.4比表面積/ 292

8.13成品改性工藝及設備/ 294

8.13.1水洗/ 294

8.13.2濕法包膜/ 297

8.13.3機械融合/ 298

8.13.4噴霧造粒/ 302

參考文獻/ 306

9.1X射線衍射/ 309

9.1.1基本原理/ 309

9.1.2XRD分析實例/ 310

9.1.3主要設備廠家/ 316

9.2掃描電子顯微鏡（SEM）/ 316

9.2.1SEM基本工作原理及應用/ 317

9.2.2SEM應用實例/ 317

9.2.3主要設備廠家/ 321

9.3粒度分析/ 321

9.3.1激光粒度儀/ 322

9.3.2影響測試結果的因素/ 322

9.4比表面分析/ 324

9.4.1比表面儀/ 325

9.4.2比表面積測試結果的影響因素/ 325

9.5水分分析/ 327

9.5.1水分分析儀/ 327

9.5.2材料水分分析結果的因素/ 327

9.6振實密度/ 328

9.7素含量分析/ 329

9.7.1原子吸收分光光度計（AAS）/ 329

9.7.2電感耦合等離子體原子發射光譜分析儀（ICP-AES）/ 330

9.7.3化學滴定分析/ 330

9.7.4ICP-AE材料中鎳、鈷、錳、鋰的分析/ 333

9.7.材料鎳鈷錳滴定分析與ICP-AES分析結果比對/ 334

9.8熱分析/ 335

9.8.1基本原理/ 335

9.8.2應用實例/ 336

9.9材料電化學性能測試/ 337

9.9.1恆電流充放電測試/ 337

9.9.2循環伏安法/ 337

9.9.3交流阻抗法/ 339

9.9.4鋰離子電池性能測試設備和方法/ 341

9.9.5扣式電池制備工藝及設備/ 341

9.9.6軟包電池制備工藝及設備/ 342

9.9.7圓柱電池制備工藝及設備/ 343

9.9.8鋰離子電池安全性能測試/ 345

參考文獻/ 346

材料使用建議

10.1首放效率及正負極配比/ 349

10.2水分控制/ 351

10.3壓實密度/ 352

10.3.1影響壓實密度的因素/ 352

10.3.2如何提升壓實密度/ 353

10.3.3過壓/ 356

10.4極片掉粉/ 358

10.5高低溫性能/ 358

10.材料混合使用/ 361

10.6.1尖晶石錳酸材料的混合/ 361

10.6.2鈷酸材料的混合/ 364

10.材料電池安全性能/ 367

10.7.1電池的熱失控/ 367

10.7.2負極的選擇/ 368

10.7.3電解液的選擇/ 369

10.7.4隔膜的改進/ 370

參考文獻/ 371

11國內外材料企業

11.1前驅體生產企業/ 373

11.材料生產企業/ 374

11.2.1材料企業/ 374

11.2.2材料企業/ 375

11.2.3材料企業/ 376

11.2.4材料企業/ 377

材料專利分析

12.材料NCM專利分析/ 381

12.1.1專利申請總體狀況/ 381

12.1.2NCM材料的重要專利/ 383

12.1.3國內外主要企業分析/ 384

12.1.4小結/ 391

12.2NCA專利分析/ 392

12.2.1專利申請總體情況/ 392

12.2.2NCA材料的重要專利/ 393

12.2.3國內外主要企業分析/ 394

12.2.4小結/ 401

附材料相關化學滴定方法

Ⅰ.1原料硫酸鎳/氯化鎳中鎳含量的測定/ 403

Ⅰ.2硫酸鈷/氯化鈷/鈷酸鋰中鈷含量的測定/ 404

Ⅰ.3硫酸錳/氯化錳中錳含量的測定/ 404

Ⅰ.材料中的鎳鈷錳總含量測定/ 405

附錄Ⅱ軟包電池和圓柱電池制作工序

Ⅱ.1軟包電池制作程序/ 407

Ⅱ.2圓柱電池18650制作程序/ 409

媒體評論

材料(包括NCA)是應用面很廣的鋰離子電池正極材料。在動力電池中,日韓廠商已普遍材料作正極，配以新型負極材料(如硅碳復合材料)，已經能夠將電池比能量做到150Wh/Kg左右。由於市場、技術、競爭等多個方面的因素，國內鋰電池企業纔剛剛開始在動力電池中材料，電芯性能尚有差距。國材料及其在電池中的應用早就開展了研究，但工程化和產業化不夠。國內電池企業應盡快與研究單位和原材料企業合作，在短期內生產出高能量密度的合格動力電池產品。希望《鋰離子材料》這本書的出版能材料的產業化進程，從而推動我國動力電池產業的發展。
--中國工程院院士，陳立泉
2．王偉東博士2004年創建中國材料企業—深圳市天驕科技開發有限公司，天驕的成長史就是材料行業的發展簡史。電動汽車的快速發展必將帶動電池相關產業鏈再次騰飛。
--深圳市天驕科技開發有限公司天使投資人松禾資本合伙人，厲偉
材料作為高能量密度正極材料，有望成為新能源汽車動力電池的主流正極材料。該專著的出版發行，將對材料的技術開發和產業化發展起到重要的促進作用！材料(包括NCA)是應用面很廣的鋰離子電池正極材料。在動力電池中,日韓廠商已普遍材料作正極，配以新型負極材料(如硅碳復合材料)，已經能夠將電池比能量做到150Wh/Kg左右。由於市場、技術、競爭等多個方面的因素，國內鋰電池企業纔剛剛開始在動力電池中材料，電芯性能尚有差距。國材料及其在電池中的應用早就開展了研究，但工程化和產業化不夠。國內電池企業應盡快與研究單位和原材料企業合作，在短期內生產出高能量密度的合格動力電池產品。希望《鋰離子材料》這本書的出版能材料的產業化進程，從而推動我國動力電池產業的發展。

--中國工程院院士，陳立泉

2．王偉東博士2004年創建中國材料企業—深圳市天驕科技開發有限公司，天驕的成長史就是材料行業的發展簡史。電動汽車的快速發展必將帶動電池相關產業鏈再次騰飛。

--深圳市天驕科技開發有限公司天使投資人松禾資本合伙人，厲偉

材料作為高能量密度正極材料，有望成為新能源汽車動力電池的主流正極材料。該專著的出版發行，將對材料的技術開發和產業化發展起到重要的促進作用！

--中國化學與物理電源行業協會秘書長，劉彥龍

4．我一直是作材料用戶，我相信這本書應該是作者多年來在這個領域耕耘的經驗總結，鋰電池材料制造和研發的一族應該從本書受益良多。

--毛煥宇博士

5．這是國內外首次出版的關於鋰離子材料的專著。作者把自己10年來專材料產業化的實際經驗和合成理論，新工藝新設備，檢驗方法，資源消耗，應用技術，市場分析和預測相結合，全面闡材料的技術現狀和應用前景，對於電池材料研究及生產有重要的參考作用。

--北京大學教授，夏定國

6．天驕科技是眾和股份整合資源、布局新能源產業鏈的核心，王偉東博士材料著作體現了天驕科技的技術引領與開放共贏。

--福建眾和股份有限公司董事長、總裁，許建成

7．電動車使我們減少對化石能源的依賴，實現環保的汽車材料成功應用於動力電池為我們實現夢想又走出了堅實的一步。

--北京恆基偉業集團董事長，張征宇博士

在線試讀

材料的迅速發展在國內外帶動了一大批相關產業群。包括相關礦產資源、金屬鹽類、正極材料生產、電池加工企業、電池後續應用企業。據統計，2013年材料銷售量近5 萬噸，帶動上下遊近產值。

目前國內外還沒有專門繫統材料技術及市場應用方面的書籍。筆者把自己十年來專材料產業化的實際經驗和合成理論、工藝技術、制造裝備、檢驗方法、資源消耗、應用技術、市場分析和預測等相結合，闡材料的技

術現狀和應用前景。

《鋰離子材料—工藝技術及生產應用》總材料制造各個環節的基本原理和工藝特點。具體內容材料的特點、合成理論和研發方材料相關金屬資材料前驅體制備、成品、煆燒和粉體制材料關鍵技術指標控制優材料檢測方材料應用技術、應用領域、市場前景和專利分析。

本書既有豐富具體和全面的實踐內容，又有相適應的理論分析，是從事新能源汽車、鋰離子電池、鋰離子電池正極材料以及正極材料相關原材料和礦產資源投資開發、行業研究人員的重要參考書，更是從事正極材料產品研發、設計、生產、銷售的技術人員、管理人員、教學人員、分析檢測人員、研究生、本科生的工具書。

材料近年來快速發展的主要問題是研發投入、技術、工藝和裝備水平與國外差距較大；在產品性能不能滿足電動汽車動力電池要求的同時低端產品卻產能過剩。筆者希望通過總結十年來材料行業的技術實踐，材料行業產業升級。

全書由王偉東策劃、構思和組織編寫。本書編寫人員有材料制造技術專家、學者和多年材料研發的高級工程師。深圳市天驕科技開發有限公司研究院的研發人員參與了資料收集和整理工作。具體各章節內容及編寫人員是，第1 ～ 3 章、第6 章由仇衛華編寫；第4章由王偉東編寫；第5 ～第7 章由丁倩倩編寫；第8 章由王海濤、丁倩倩編寫；第9章由仇衛華、丁倩倩、張芳編寫；第10章由丁倩倩、仇衛華、王偉東編寫；第11章由張芳編寫；第12章由餘碧濤編寫。

尹春鵬繪制了工藝流程圖和設備結構圖，提供了部分前驅體反應設備、干燥設備和自動控制的編寫資料為成品制備工材料關鍵指標控制，金屬資源回收提供了資料和數據。張祥為電池制作工藝和電池檢測部分提供了資料。楊凱為前驅體制備工藝提供了部分數據和資料。段小材料合成理材料混合使用提供了部分數據和資料。鐘毅為成品制備設備提供了部分資料。張芳為本書做了大量的資料整理工作。

感謝李建剛、陳光森、王慶生多年來對天驕材料研發、應用等方面給予的支持和幫助。

材料制造還是一個新型行業，近年來規模迅速擴大，工藝裝備技術和市場應用日新月異，本書很多資料收集還不夠完善，對於實際生產的經驗總結不夠全面，書中不足之處，敬請有關專家與廣大讀者批評指正。

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