鉅大LARGE | 點擊量：517次 | 2023年05月16日
充電鋰電池正極材料生產技術的發(fā)展
本文對鋰離子電池正極材料生產制備技術的發(fā)展歷史進行了回顧，對鋰離子電池正極材料的發(fā)展方向進行了分析。上世紀末，從鋰離子電池正極材料加工性能和電池性能的角度出發(fā)，清華大學研究團隊提出了控制結晶制備高密度球形前驅體的技術，結合后續(xù)固相燒結工藝，提出了制備含鋰電極材料的產業(yè)技術。
其中，控制結晶方法制備前驅體，可以在晶胞結構、一次顆粒組成和形貌、二次顆粒粒度和形貌，以及顆粒表面化學四個層面對材料的性能進行調控和優(yōu)化。利用該技術工藝生產的材料具有顆粒粒度及形貌易控制、均勻性好、批次一致性和穩(wěn)定性好的特點，可以同時滿足電池關于材料電化學性能和加工性能的綜合要求。因材料的堆積密度高，尤其適用于高比能量電池。
該技術工藝適用于多種正極材料，并適合于大規(guī)模生產，隨著時間的推移，逐步被證明是鋰離子電池正極材料的最佳生產技術工藝，得到了現(xiàn)今產業(yè)界的普遍接受和認可。這也是我國科學工作者對國際鋰離子電池產業(yè)做出的重要貢獻之一。
鋰離子電池具有比能量高、儲能效率高和壽命長等優(yōu)點，近年來逐步占據(jù)電動汽車、儲能系統(tǒng)以及移動電子設備的重要市場份額。從1990年日本Sony公司率先實現(xiàn)鋰離子電池商業(yè)化至今，負極材料一直是碳基材料，而正極材料則有了長足的發(fā)展，是推動鋰離子電池性能提升的最關鍵材料。
鋰離子電池正極材料的研究和發(fā)展，重要在三個方面進行：1）基礎科學層面，重要是發(fā)現(xiàn)新材料，或者對材料組成、晶體結構及缺陷結構的計算、設計和合成探索，以期發(fā)現(xiàn)電化學性能優(yōu)異的新型正極材料；2）材料化學層面，重要探討合成技術，以期對材料晶體結構、取向、顆粒形貌、界面等材料結構因子進行優(yōu)化，獲得電化學性能、加工性能和電池性能的最佳匹配，目的是研發(fā)可實現(xiàn)正極材料綜合性能最優(yōu)化的材料結構及其合成方法；3）材料工程技術層面，重要是發(fā)展可大規(guī)模、低成本、穩(wěn)定的設備和工藝，以期發(fā)展合理的工程技術，滿足市場需求。
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鋰離子電池正極材料要在全電池中發(fā)揮最優(yōu)良的性能，要在材料組成優(yōu)化的前提下，進一步優(yōu)化材料的晶體結構、顆粒結構和形貌、顆粒表面化學、材料堆積密度和壓實密度等物理化學性質，同時還要嚴防工藝過程引入微量金屬雜質。當然，穩(wěn)定、高質量的大規(guī)模生產是材料在電池制造中性能穩(wěn)定的重要的保障。隨著鋰電技術的日臻完善和鋰電市場的日趨成熟，不同正極材料的應用領域逐漸出現(xiàn)劃分，即鋰離子電池關于各種正極材料的性能要求也不盡相同。因而，正極材料的主流合成技術和工藝也經歷了不同的發(fā)展路徑。
1.鋰離子電池對正極材料的性能要求
（1）產業(yè)對鋰離子電池的性能要求
要理解正極材料的技術指標，要首先從電池的技術指標說起。鋰離子電池產業(yè)初期，重要服務于移動電子產品的發(fā)展，例如筆記本電腦、平板電腦、移動智能終端（手機）等。近年來，新能源產業(yè)和電動汽車產業(yè)迅速崛起，對鋰離子電池的需求急速上升，刺激鋰電產業(yè)加快了發(fā)展速度。因此，鋰離子電池需滿足諸多技術性能指標，才能被產業(yè)認可、得到進一步的發(fā)展。
這些技術指標中，最基本的有比能量、循環(huán)穩(wěn)定性、比功率、成本、安全性可靠性、耐用性能、生產制造效率、可持續(xù)性等等，指標之間相互關聯(lián)，不同的應用領域對鋰離子電池指標的優(yōu)先考慮順序是不同的。和便攜式電子產品中的鋰離子電池相比，儲能和電動汽車產業(yè)中應用的鋰離子電池的最大不同是單體電池的容量上升為十倍甚至幾十倍，同時電池模組的功能、結構及應用的復雜程度顯著提高，這對鋰離子電池的一致性、可靠性提出了更高的要求。
基于20多年的研究和工程實踐相關經驗，認為鋰離子電池的技術指標中最重要的是比能量和循環(huán)性能，其次是比功率、安全性、可靠性、成本和一致性等性能指標。比能量越高，單位能量（Wh）的材料成本就下降；循環(huán)壽命越長，電池的實際使用成本就低。目前移動智能終端用鋰離子電池要滿足比能量700Wh/L以上、循環(huán)性能200次以上的要求，而電動汽車用鋰離子電池要滿足比能量140Wh/kg（磷酸鐵鋰或者錳酸鋰正極材料）或200Wh/kg（層狀氧化物正極材料）以上、循環(huán)性能1500次以上的要求。鋰離子電池正極材料需滿足上述電池指標才可能被電池主流市場所接受。而目前鋰離子電池的比能量和循環(huán)性能重要取決于正極材料[1-6]，因而鋰離子電池正極材料的重要研發(fā)目標就是高比能量、長循環(huán)壽命。
關于筆記本電腦、平板電腦、移動智能終端用鋰離子電池，體積比能量是最重要的指標，當然體積比能量高的電池，通常質量比能量也會高。因為客戶希望在特定體積的設備（例如手機）中放進更多的電池能量，目前石墨|鈷酸鋰體系的鋰離子電池產業(yè)化最成熟、同時高體積比能量也最高，其它材料體系的鋰離子電池很難撼動該體系鋰離子電池在移動電子產品行業(yè)的主導地位。安全性、可靠性和一定的循環(huán)性能對該類電池也很重要，由于重要以單體方式應用，電池的一致性和成本就不那么重要了。
關于電動汽車用鋰離子電池，盡管其對體積比能量的要求不像便攜式電子產品電池那樣苛刻，但畢竟乘用車的空間有限，車體重量會影響電動汽車的行駛里程，因此電池的質量比能量和體積比能量仍然是非常重要的。除此之外，車用鋰離子電池幾乎對其他所有性能的要求都近乎苛刻，遠遠高于便攜式電子產品電池的性能要求。其和便攜式電子產品電池最大的差別有三個。
一是電動汽車電源要較高的電壓和電流，要大量單體電池進行串并聯(lián)組合，這使得電池組實際可以利用的比能量不僅取決于單體電池的比能量，還取決于單體電池的一致性、特別是動態(tài)一致性，動力鋰電池的一致性近年來逐漸得到人們的關注[7]。二是單體電池的規(guī)模顯著增大，這使得單體電池的價格較高，熱失控造成的危害較為嚴重，因此市場對電池的安全性和可靠性較為敏感。三是由于電動汽車要10-15年的使用壽命，因此對循環(huán)性能的要求很高，一般要1500次以上。此外，由于電動汽車要啟動和加速，因此動力鋰電池比較功率也有一定的要求。
隨著電動汽車產業(yè)的迅速發(fā)展，動力鋰離子電池未來將和便攜式電子產品電池一并成為鋰電產業(yè)的主流產品。比能量和循環(huán)性能是鋰離子電池技術發(fā)展中永遠追求的最重要的性能指標，隨著安全性、可靠性、比功率和一致性等日益受到關注，該方面的技術有望獲得快速發(fā)展。要說明的是，隨著鋰離子電池逐漸滲入到國民經濟的各個領域，會有越來越多的非主流的鋰離子電池細分市場，其對電池的性能指標要求比較特殊，不在本文的討論范圍。
（2）滿足主流鋰離子電池產業(yè)需求的正極材料
當前，滿足鋰離子電池主流市場對電池性能要求的正極材料重要有層狀鈷酸鋰LiCoO2材料（LCO）、尖晶石錳酸鋰LiMn2O4材料（LMO）、橄欖石磷酸鐵鋰LiFepO4材料（LFp）、橄欖石磷酸錳鐵鋰LiMn0.8Fe0.2pO4材料（LMFp）、層狀三元材料LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料（NMC333）、層狀三元材料LiNi0.4Mn0.4Co0.2O2（NMC442）、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2（NMC532）、LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2（NMC622）、LiNi0.7Mn0.2Co0.1O2（NMC721）、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）和層狀高鎳材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）等。從產業(yè)應用的角度，上述各材料因具有不同的物理化學特點，適合于不同應用領域的鋰離子電池，因而材料產品的關鍵性能指標也有所差異。
鈷酸鋰LiCoO2（LCO）材料是目前壓實密度最高的正極材料，因此所制備的鋰離子電池體積比能量最高，成為平板電腦和移動智能終端用鋰離子電池的重要正極材料。其缺點重要是鈷資源有限、成本高，限制了其在電動汽車領域的廣泛應用。該材料的結構和反應特性是隨著充電電壓的逐漸升高，鋰脫出量逐漸新增，LCO的可利用容量逐漸提高，但當鋰脫出量超過55%時（即相關于金屬鋰的充電電位為4.25V、相關于石墨|LCO全電池的充電電壓為4.2V），材料的結構穩(wěn)定性迅速下降，壽命及安全性迅速變差。因此耐受較高充電電壓、同時化學穩(wěn)定性滿足電池應用需求的LCO正極材料是當前材料制備技術的重要發(fā)展方向。
LCO結構穩(wěn)定、合成較為容易，其制備技術簡單，也相對最為成熟。在2000年之前，LCO重要通過氧化鈷/碳酸鋰混合物的固相燒結技術進行生產，隨著人們關于產品堆積密度、比表改性等的極致追求，控制結晶制備鈷酸鋰前驅體的方法因具有材料形貌控制的優(yōu)勢而逐漸成為重要的產業(yè)制備技術[8-11]。
尖晶石錳酸鋰LiMn2O4（LMO）材料的重要優(yōu)點是原料資源豐富、成本低、電池安全性好；其公認的重要缺點是電池比能量低，同時循環(huán)穩(wěn)定性欠佳。上世紀90年代開始，受其原料及工藝成本低、安全性好的吸引，人們探索了LMO在電動大巴、乘用轎車、特種車輛、電動工具等領域的應用。傳統(tǒng)的固相燒結制備技術無法實現(xiàn)對材料結構的調控，為了改善其循環(huán)穩(wěn)定性及材料的振實密度，2004年作者團隊引入液相工藝制備前驅體[12-14]，并進一步通過表面包覆、晶格摻雜、表面梯度化等技術提升材料性能[15-22]。但受限于材料溶解性高的特點，電池的循環(huán)穩(wěn)定性一直未能很好得到滿足，只有進一步配合電解液，電池的壽命才能滿足需求。目前，LMO雖然已經很少用于車用動力鋰電池，但在對成本較為敏感的電動自行車等小型動力鋰電池行業(yè)得到了廣泛的應用。此外，隨著人們對車用大型動力鋰電池安全性的關注，和三元材料共混使用也成為LMO材料的重要用途之一。
橄欖石磷酸鐵鋰LiFepO4（LFp）材料的重要優(yōu)點是原料資源豐富、成本低、電池安全性和循環(huán)性能好，其重要缺點是電池比能量低。該材料不僅在電動自行車、電動大巴、電動公交車、特種車行業(yè)得到了廣泛應用，而且在大規(guī)模儲能行業(yè)得到了廣泛的應用。由于該材料中鋰離子沿一維通道傳輸，因此材料具有顯著的各向異性、對缺陷結構異常敏感，要制備過程保障合成反應的高度均勻性和精確的Fe：p比例，才可能獲得較好的容量和倍率性能?；诓牧辖Y構和合成反應的復雜性，該材料的制備重要有兩個難題：
一是過程要還原氣氛，反應原料因種類、粒度不同而對還原氣氛具有不同的要求，局部還原性過高或者過低都會導致產品中存留雜質；二是材料要進行表面碳包覆或者和其他類型的導電劑進行復合，這使得材料的雜質和壓實密度很難控制。2005年作者所在課題組提出利用控制結晶技術制備高性能磷酸鐵前驅體（Fp），再和鋰源和碳源一起通過碳熱還原制備LFp[11]。
上述工藝路線經過進一步的改進成為了目前主流的磷酸鐵鋰材料制備技術[23-29]。為了滿足人們對LFp電池性能的不斷追求，高均勻性、高批次穩(wěn)定性成為LFp正極材料最受關注的產品指標，而傳統(tǒng)的固相燒結技術一方面在原理上就難以實現(xiàn)高效的一致性控制，另一方面一致性控制會導致工藝成本的顯著提高。和固相工藝相比，基于液相工藝制備的前驅體或者基于水熱/溶劑熱制備的正極材料，具有較好的結構可調性和可控性[30]，同時批次穩(wěn)定性及反應均勻性好。類似于大化工裝置，持續(xù)溶劑熱工藝容易實現(xiàn)超大規(guī)模生產。因此液相技術逐漸成為下一代高品質LFp正極材料制備技術的發(fā)展趨勢[31-37]。
橄欖石磷酸錳鐵鋰LiMn0.8Fe0.2pO4（LMFp）材料是LFp材料的升級版，比能量比LFp高10%；由于Mn和Fe原料的反應動力學和對還原氣氛的要求存在差異，該材料的重要缺點是制備困難。目前基于固相法的產業(yè)制備工藝還不成熟，尚未得到大規(guī)模應用。假如LFp的液相制備技術獲得產業(yè)應用[38-41]，則該類材料的制備難題有望迎刃而解。
三元材料的發(fā)展歷程是從本世紀初開始的。上世紀90年代后期，隨著LCO的大規(guī)模應用，受鈷資源的限制，人們希望用資源更為豐富的鎳來取代鈷。和LCO相比，LiNiO2材料（LNO）因資源豐富價格便宜，且具有更高的容量，曾被認為最有希望的鋰離子電池材料[42-46]。但LNO作為正極材料，也存在制備困難、材料結構不穩(wěn)定、電池循環(huán)性能差等較難解決的問題。
為了解決LNO的結構穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的問題，人們將鈷和錳摻雜進LNO的體相，最早的鎳鈷錳三元材料NCM應運而生[47,48]。為了提升材料的振實密度，2005年作者所在課題組提出利用控制結晶技術制備高密度球形氫氧化鎳鈷錳前驅體，再和鋰源一起混合燒結制備NCM333[11]。并在此基礎上進一步通過表面包覆、晶格摻雜、表面梯度化等技術提升材料性能[49-58]。
層狀三元材料LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2（NMC333）在所有由Ni、Co、Mn過渡金屬元素組成的層狀氧化物正極材料中綜合性能最好，是目前乘用車動力鋰電池的重要正極材料。NMC333在充電到4.5V時比容量也很高。其重要缺點是鈷含量高，存在資源和成本的問題。
為了降低成本、提高容量，在NMC333的基礎上，人們不斷把鎳含量提高，研發(fā)出了一系列不同鎳含量的層狀三元材料。NMC442是由NMC333向NMC532和NMC622發(fā)展的過渡性產品，由于其綜合性能不如NMC333、NMC532和NMC622，生產及應用的規(guī)模比較有限。NMC532是當前應用較為廣泛的三元材料之一。由于三元過渡金屬中鎳比例低于等于50%時，材料的燒結氣氛是空氣，生產成本相對較低；而鎳比例高于等于60%時，燒結氣氛要氧氣或者氧氣/空氣混合氣體，生產成本相對較高。因此在空氣氣氛燒結的三元系列正極材料中，NMC532是鎳含量最高的，容量也最高，性價比好，目前有一定的市場份額。NMC622是一款綜合性能很好的正極材料，缺點是制備較難。隨著其制備工藝的日趨成熟，NMC622在乘用車動力鋰電池中的應用比例穩(wěn)步上升，也是當前應用較為廣泛的三元材料之一。
NMC721的綜合性能不如NMC811和NMC622，是三元材料由NMC622向NMC811發(fā)展過程中的過渡產品，沒有得到很大的發(fā)展。NMC811和NCA，這兩種材料的重要優(yōu)點是比容量高，同時鎳資源比鈷豐富、成本比鈷低，原料資源受限的問題相對較小。缺點是材料制備難度大，對水份非常敏感，電池制備的條件和技術門檻高。NCA目前已經開始規(guī)模應用在電動汽車產業(yè)中，而NMC811則被公認為是比能量超過300Wh/kg鋰離子電池的重要選擇之一。
上述材料的各項性能指標均能夠滿足車用鋰離子電池對正極材料的性能要求和電池制造技術工藝對材料加工性能的基礎要求，是目前已經或者有望得到產業(yè)應用的重要的鋰離子電池正極材料。
2.制備高性能正極材料的要求
隨著人們對材料物理化學研究的不斷深入和材料制備技術的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，高性能的正極材料要從材料的晶胞結構、一次顆粒晶體結構、二次顆粒結構、材料表面化學四個方面進行剪裁，以及材料大規(guī)模生產工藝技術方面進行工藝過程優(yōu)化，才可以使得材料表現(xiàn)出更為優(yōu)異的性能，更好地滿足鋰離子電池產業(yè)對正極材料的各項要求。
清華大學核能和新能源技術研究院鋰離子電池實驗室從上個世紀的九十年代初開始了二次電池高性能電極材料的研發(fā)。在高活性、高密度球形氫氧化亞鎳Ni(OH)2鎳氫電池用正極材料及其制備技術的研發(fā)過程中，形成了以控制結晶為特色的電極材料制備新技術工藝[59-71]。該技術工藝容易實現(xiàn)對晶胞結構、一次顆粒晶體結構、二次顆粒結構以及材料表面化學四個層面的結構調控，優(yōu)化正極材料的各項性能以滿足電極及電池對正極材料的要求。上述四個層面對材料性能的貢獻是不同的：
第一層面，晶胞結構，即組成晶體的基本單元晶胞結構，重要通過摻雜而實現(xiàn)調控，達到優(yōu)化材料的能級結構/離子傳輸通道的目的，從而提升材料電子電導率/離子電導率或者結構穩(wěn)定性，進而提升材料的倍率性能和循環(huán)性能等。
第二層面，一次顆粒的晶體形貌。通過控制合成條件改變晶體的優(yōu)勢生長方向、晶粒大小、晶粒堆積方式。這一層面的優(yōu)化可以優(yōu)化電化學活性/惰性界面的面積、應力釋放路徑、鋰離子擴散路徑，從而提升電池的倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性和能量密度等。
第三層面，二次顆粒結構。二次顆粒是一次顆粒相互融合堆積形成的顆粒。可以通過合成條件改變一次顆粒的堆積密度、二次顆粒的形貌、二次顆粒的大小及分布。這一層面的優(yōu)化可以獲得最佳的材料加工性能、極片壓實密度，顆粒力學強度，從而提升電池的能量密度等。
第四層面，材料的表面化學。重要指表面包覆和表面元素濃度的梯度化。材料表面化學的優(yōu)化可以大幅度提升材料的性能。
在實踐中，上述四個層面相互關聯(lián)、互相影響。例如，很好的形貌控制非常有利于表面化學的改進。
本實驗室在上世紀九十年代對鎳氫電池正極材料球形氫氧化亞鎳進行系統(tǒng)研發(fā)時所形成的學術成果[59-69]，為隨后研發(fā)高性能鋰離子電池電極材料奠定了堅實的理論和實踐基礎，開創(chuàng)了嶄新的研究領域[11,70,71]。
在電動汽車和儲能領域，要求電池具有很好的一致性和可靠性。據(jù)此，對正極材料規(guī)?；a的穩(wěn)定性提出了新的要求，正極材料產業(yè)迫切需求先進的材料規(guī)模制備技術[72]。
3.控制結晶/固相反應工藝制備高性能正極材料
2006年以前，已經實現(xiàn)大規(guī)模生產的鋰離子電池正極材料只有鈷酸鋰LiCoO2和錳酸鋰LiMn2O4，采用成熟的陶瓷工業(yè)合成技術--高溫固相法,基本工藝是將反應物混合后進行燒結。該技術工藝的優(yōu)勢是設備成熟、技術工藝簡單，最大缺點是產物的粒徑分布不易控制,均勻性、一致性和重現(xiàn)性較差[73]。
本實驗室基于高密度球形氫氧化亞鎳的技術成果，從上世紀90年代末期開始，研發(fā)了獨特的控制結晶/固相反應新工藝[8-11,70,71],該新工藝以控制結晶制備前驅體為技術核心，從四個層面對材料結構其性能進行優(yōu)化。由于該工藝技術所制備材料具有球形或類球形形貌、堆積密度高，加工性能好、可提高電池的能量密度，顯示了優(yōu)異的綜合性能，控制結晶/固相反應工藝為今天產業(yè)界所普遍接受。
1999年，本實驗室首次報道了以Co(OH)2為前驅體制備球形LiCoO2正極材料[8]。由于Co(OH)2和LiCoO2的結構相似，因此固相反應的溫度低、燒結時間短，可獲得均勻無雜相的NaFeO2層狀結構的LiCoO2粉末。同時，可以借鑒優(yōu)化Ni(OH)2的工藝技術來優(yōu)化Co(OH)2前驅體，從而得到流動性好、分散性好、堆積密度高的LiCoO2粉體。隨后，這些學術思想被用來制備一系列的正極材料，逐步發(fā)展成為今天的鋰離子電池正極材料的重要生產工藝路線，即控制結晶/固相反應工藝。
2001年，本實驗室首次發(fā)表了以球形Ni0.8Co0.2(OH)2為前驅體制備高鎳正極材料LiNi0.8Co0.2O2的文章，同時進行表面改性和Al摻雜改性。Al摻雜演變成為今天的NCA材料。
2003年，本實驗室首次發(fā)表以控制結晶技術制備尖晶石錳酸鋰的工藝技術，繼而首次提出通過表面富鈷的"梯度材料"來改善尖晶石錳酸鋰的高溫循環(huán)穩(wěn)定性，并基于控制結晶技術對尖晶石錳酸鋰進行了進一步的改性研究。這些研究表明，控制結晶技術不僅在均質材料制備方面具有較好的可控性，在材料表面包覆、特別是梯度包覆方面也具有工藝簡單、易于控制的優(yōu)點。
磷酸鐵鋰因為本征電子和離子電導率較低，只有納米化后才能獲得可用的電化學性能，但納米顆粒堆積和壓實密度低，這嚴重影響了磷酸鐵鋰離子電池的能量密度。2005年，本實驗室提出以控制結晶技術制備球形FepO4前驅體，然后混合鋰源和碳源，通過碳熱還原合成高性能高密度LiFepO4的合成路線。
其中液相法可以很好的控制前驅體的Fe:p比例，可同時實現(xiàn)納米一次顆粒和高密度球性二次顆粒的調控，并同步實現(xiàn)導電碳在二次顆粒中的均勻復合，雖然仍然通過固相燒結獲得最終的磷酸鐵鋰產品，但均勻、高密度、批次穩(wěn)定、粒度可控、組成精確可控的前驅體使得磷酸鐵鋰正極材料的均勻性和批次穩(wěn)定性大大提高、雜質含量顯著降低。上述學術思想逐漸被產業(yè)界認可，成為了今天大規(guī)模生產LFp的基本工藝路線。
2005年開始，本實驗室報道了采用控制結晶/固相反應技術制備高性能NMC333正極材料。并進一步對NMC333正極材料進行了包覆、摻雜等的改性研究。
目前動力鋰離子電池產業(yè)所要的主流正極材料均采用控制結晶/固相反應工藝進行生產。尤其是大規(guī)模儲能及電動汽車電池用的磷酸鐵鋰材料和各種組成的三元材料的合成，控制結晶/固相反應工藝具有不可替代的優(yōu)越性。其可根據(jù)不同電池的需求，針對性地對前驅體進行改性和調控。同時產品也容易實現(xiàn)良好的均勻性和一致性，這一點對動力鋰電池的穩(wěn)定生產、尤其是動力鋰電池的一致性至關重要。
控制結晶/固相反應技術經過十多年的發(fā)展，目前已經成為了國際上正極材料行業(yè)的主流生產技術工藝。這是我國科學工作者對鋰離子電池產業(yè)做出的重要貢獻。
4.鋰離子電池材料的規(guī)模化生產技術
隨著大規(guī)模儲能和電動汽車的快速發(fā)展，對鋰離子電池正極材料的產品質量提出了越來越嚴格的要求。為滿足市場對正極材料的高品質要求，自動化、智能化的大規(guī)模生產技術和裝備技術就顯得越來越重要。
在過去的十五年里，控制結晶/固相反應技術工藝日臻完善。然而，我國還是一個發(fā)展我國家，大量設備陳舊、生產工藝僵化的現(xiàn)象普遍存在，尤其是中小公司。國家整體工業(yè)化的水平還處在工業(yè)2.0和工業(yè)3.0的階段，距發(fā)達國家的工業(yè)4.0的信息化、智能化的工業(yè)生產技術水平還有一段距離，這已成為阻礙我國制造業(yè)效率和品質進一步提升的重要問題。這個現(xiàn)象也同樣存在于鋰離子電池正極材料生產公司中。因此我國鋰離子電池正極材料的生產工藝、設備管理水平急需轉型升級，利用信息技術提升、改善、重構生產要素，提高公司組織管理水平，創(chuàng)新生產方式，提升資產質量和服務功能，適應市場的迅速發(fā)展和變化。
2000年左右，鋰離子電池正極材料的新建項目一般是200-500噸的產量規(guī)模。2010年左右，一般是2000噸的產量規(guī)模。目前新建項目一般是一期5000—2000噸，規(guī)劃50000噸以上。隨著產量規(guī)模的不斷放大，對廠的設計布局和運行管理提出了新的挑戰(zhàn)。為了滿足電動汽車和儲能產業(yè)對電極材料的高品質和大規(guī)模的需求，逐步發(fā)展了基于粉體自動輸送的信息化、自動化和智能化的大規(guī)模生產技術[72]。
目前國內部分公司已經開始逐步采用先進的大規(guī)模生產技術。重要包括粉體自動輸送、自動計量、自動化生產和智能控制，信息化遠程實時監(jiān)控，以及先進的制造執(zhí)行系統(tǒng)等。
以控制結晶制備磷酸鐵前驅體/碳熱還原固相反應為基礎的磷酸鐵鋰制備工藝已經被產業(yè)逐步接受，并成為目前的主流工藝路線。下一步溶劑熱方法制備高性能磷酸鐵鋰有可能成為新的超大規(guī)模生產方法，以滿足未來大規(guī)模固定儲能的需求。
在三元材料中，NMC333的綜合性能最好，NMC532的性價比較好，NMC811/NCA在4.2V的比容量最高。因此，這些材料在一按時期內，將得到較大的發(fā)展，以滿足未來大規(guī)模移動儲能（例如電動汽車）的需求。
鋰離子電池正極材料的生產技術經歷來二十多年的發(fā)展，其主流工藝逐步集中在以控制結晶/固相反應工藝為基礎的技術路線。該技術路線以控制結晶制備前驅體為技術核心，可以在材料的四個層面對其性能進行優(yōu)化。該技術路線所制備材料具有顆粒形貌易控制，均勻性、一致性和重現(xiàn)性好的特點。且材料的堆積密度高，可提高電池的能量密度。由于該技術路線所制備材料具有相對最好的綜合性能，因此控制結晶/固相反應技術路線為今天產業(yè)界所普遍接受。
為了滿足電動汽車和儲能產業(yè)對電極材料的高品質和大規(guī)模的需求，基于工業(yè)4.0的概念，我國已經發(fā)展了包括粉體自動輸送的信息化、自動化和智能化的大規(guī)模生產技術。
固定儲能和移動儲能產業(yè)的快速發(fā)展，拉動了鋰離子電池正極材料的技術進步。在正極材料制備技術的發(fā)展過程中，以前側重單元技術工藝的研發(fā)，重要通過材料的結構調控來優(yōu)化材料加工性能和電化學性能。而未來的大規(guī)模智能制造，一方面仍然要關注單元技術工藝的可規(guī)模性，更要關注單元技術工藝之間的反饋和聯(lián)動效率，從而提高大規(guī)模制造過程的能效，提高產品穩(wěn)定性。
在這一技術發(fā)展的早期階段，我國科研工作者做出了不可或缺的創(chuàng)新性貢獻。目前我國已經成為鋰離子電池正極材料的最大生產國，占比超過50%。研發(fā)力量規(guī)模也是全球最大，我們相信在未來的大規(guī)模智能制造階段，我國科學工作者在新工藝、新設備、智能化等方面也將做出重要貢獻。
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