親愛(ài)的看官，以下內(nèi)容為掃盲級(jí)別，專(zhuān)業(yè)請(qǐng)繞行。

一、概述

? ? 電池界的各位磚家都知道，磷酸鐵鋰在這個(gè)行業(yè)中的地位。相對(duì)于傳統(tǒng)的鉛酸電池，他有著高的能量密度，其理論比容量為170 mAh/g，鉛酸電池為40mAh/g；高安全性，是目前最安全的鋰離子電池正極材料，不含對(duì)人體有害的金屬元素；壽命長(zhǎng)，在100%DOD下，可以充放電2000次以上；充電性能良好；價(jià)格低廉；環(huán)保。但是他也有著一些缺點(diǎn)，電極離子傳導(dǎo)率差，不適宜大電流的充放電；能量密度較新型三元材料低。

? ? 據(jù)行業(yè)最新趨勢(shì)，各企業(yè)在大力研發(fā)三元電池的同時(shí)，對(duì)磷酸鐵鋰的研發(fā)也從沒(méi)有停止過(guò)，正交橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4 正極材料是否再次成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)還很難說(shuō)，今天咱主要說(shuō)說(shuō)磷酸鐵鋰正極材料的制備工藝。

? ? 常見(jiàn)的有固相合成法、液相合成法以及放電等離子燒結(jié)技術(shù)，噴霧熱分解技術(shù)和脈沖激光沉積。常用路線有水熱、鐵紅和磷酸鐵，以下介紹以磷酸鐵路線為例。

二、主要工藝及設(shè)備介紹

? ? 磷酸鐵工藝因其使用的原材料少、不需要使用溶劑、水系混合、無(wú)氨氣排放工藝成本低等優(yōu)點(diǎn)，受到眾多材料廠家青睞。主要的生產(chǎn)工藝包括混料、噴霧干燥、燒結(jié)、粉碎、混合、烘烤、包裝。

2.1 混料

? ? 先將材料進(jìn)行配料稱(chēng)重，加入去離子水，在混合攪拌缸里面充分混合、攪拌，配料主要是磷酸鐵，碳酸鋰等材料。碳酸鋰就不說(shuō)了，是我們的主要鋰源，他是一種無(wú)機(jī)化合物，化學(xué)式為L(zhǎng)i2CO3，為無(wú)色單斜晶系結(jié)晶體或白色粉末，密度2.11g/cm3，熔點(diǎn)723℃，溶于稀酸，微溶于水，在冷水中溶解度較熱水下大，不溶于醇及丙酮。而我們的磷、鐵主要來(lái)源于磷酸鐵，又名磷酸高鐵、正磷酸鐵，分子式為FePO4，是一種白色、灰白色單斜晶體粉末，摩爾質(zhì)量：150.82，溶于硫酸，難溶于其它酸，不溶于水、醋酸、醇。

2.2 噴霧干燥

? ? 將攪拌好的膠料，通過(guò)壓力噴出，經(jīng)過(guò)噴霧干燥機(jī)后變成我們想要的顆粒。噴霧干燥機(jī)是一種可以同時(shí)完成干燥和造粒的裝置。按工藝要求可以調(diào)節(jié)料液泵的壓力、流量、噴孔的大小，得到所需的按一定大小比例的球形顆粒。工作原理為空氣經(jīng)過(guò)濾和加熱，進(jìn)入干燥器頂部空氣分配器，熱空氣呈螺旋狀均勻地進(jìn)入干燥室。料液經(jīng)塔體頂部的高速離心霧化器，(旋轉(zhuǎn))噴霧成極細(xì)微的霧狀液珠，與熱空氣并流接觸在極短的時(shí)間內(nèi)可干燥為成品。成品連續(xù)地由干燥塔底部和旋風(fēng)分離器中輸出，廢氣由引風(fēng)機(jī)排空。

2.3 燒結(jié)

? ? 使用鋰電池輥道爐，對(duì)干燥后的材料進(jìn)行燒結(jié)，市場(chǎng)上先進(jìn)的輥道爐采用先進(jìn)的紅外技術(shù)和先進(jìn)的爐膛材料，提高了設(shè)備的熱效率;采用先進(jìn)的溫度控制技術(shù)，保證溫度控制的精確度;利用成熟的爐體設(shè)計(jì)技術(shù)，保證爐溫的均勻性;采用科學(xué)合理的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證推板運(yùn)行的平整、穩(wěn)定;多路氣氛的引入，保證了爐腔內(nèi)氣氛的均勻性及廢氣的排放,從而保證產(chǎn)品的燒成質(zhì)量。

2.4 粉碎

? ? 使用氣流磨設(shè)備，對(duì)燒結(jié)的材料進(jìn)行粉碎。氣流磨工作原理：壓縮空氣經(jīng)拉瓦爾噴咀加速成超音速氣流后射入粉碎區(qū)使物料呈流態(tài)化（氣流膨脹呈流態(tài)化床懸浮沸騰而互相碰撞），因此每一個(gè)顆粒具有相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在粉碎區(qū)，被加速的顆粒在各噴咀交匯點(diǎn)相互對(duì)撞粉碎。粉碎后的物料被上升氣流輸送至分級(jí)區(qū)，由水平布置的分級(jí)道篩選出達(dá)到粒度要求的細(xì)粉，未達(dá)到粒度要求的粗粉返回粉碎區(qū)繼續(xù)粉碎。合格細(xì)粉隨氣流進(jìn)入高效旋風(fēng)分離器得到收集，含塵氣體經(jīng)集塵器過(guò)濾凈化后排入大氣。

2.5 混合分級(jí)

? ? 對(duì)粉碎后的磷酸鐵鋰粉體混合后，按照顆粒大小進(jìn)行分級(jí)，根據(jù)我們的需求，對(duì)顆粒過(guò)大的重新進(jìn)行分級(jí)。粉體混合設(shè)備常用于醫(yī)藥行業(yè)，常見(jiàn)的混合設(shè)備有雙螺旋錐混合、臥式無(wú)重力混合機(jī)、臥式犁刀混合機(jī)。

2.6 烘烤

? ? 對(duì)合格的磷酸鐵鋰粉料進(jìn)行烘烤，去除水分。一般使用的是雙錐干燥機(jī)。工作原理為：雙錐干燥機(jī)為雙錐形的回轉(zhuǎn)罐體，罐內(nèi)在真空狀態(tài)下，向夾套內(nèi)通入蒸汽或熱水進(jìn)行加熱，熱量通過(guò)罐體內(nèi)壁與濕物料接觸。濕物料吸熱后蒸發(fā)的水汽，通過(guò)真空泵經(jīng)真空排氣管被抽走。由于罐體內(nèi)處于真空狀態(tài)，且罐體的回轉(zhuǎn)使物料不斷的上下、內(nèi)外翻動(dòng)，故加快了物料的干燥速度，提高干燥效率，達(dá)到均勻干燥的目的。

? ? 干燥后的粉末，檢測(cè)合格后就使用成品包裝設(shè)備，包裝后即可發(fā)往各電池廠。

三、磷酸鐵鋰材料的參數(shù)

? ? 電池好不好，還看材料給不給力，且不論新材料替代舊材料的前瞻性，光是原有材料的制作，也需要嚴(yán)格把控，只有合格的材料，才能造出合格的電池。磷酸鐵鋰正極材料在制作過(guò)程中，需嚴(yán)格監(jiān)控并實(shí)時(shí)測(cè)量各參數(shù)，主要有粒徑、比表面積、碳含量、振實(shí)密度、水分、克容量。

馬爾文激光粒度儀

3.1 粒徑

? ? 粒徑：當(dāng)被測(cè)顆粒的某種物理特性或物理行為與某一直徑的同質(zhì)球體最相近時(shí)，就把該球體的直徑作為被測(cè)顆粒的等效粒徑。實(shí)際生產(chǎn)中，常使用馬爾文激光粒度儀進(jìn)行測(cè)試，整理常用D10，D50，D90方式記錄檢查。

????粒徑太小，同等質(zhì)量的材料的顆粒數(shù)量越多，同樣的工藝條件下分散越困難。

????粒徑太大，鋰離子在磷酸鐵鋰粒子內(nèi)部擴(kuò)散路徑增加，電化學(xué)反應(yīng)活性降低。

比表面積測(cè)試儀

3.2 比表面積Specific surface area

? ? 做電池的都知道，比表面積是材料的一個(gè)重要的參數(shù)。比表面積：?jiǎn)挝惑w積或單位質(zhì)量顆粒的總表面積。通常情況下，磷酸鐵鋰的比表面積與碳含量呈線性關(guān)系。生產(chǎn)中有比表面積測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。

??比表面積太小，說(shuō)明材料的碳包覆量不夠，直接體現(xiàn)是電池內(nèi)阻偏高、放電平臺(tái)低、容量發(fā)揮低、倍率性能不佳、循環(huán)性能不好。

??比表面積過(guò)大，說(shuō)明材料的碳包覆量過(guò)高或者粒度呈納米級(jí)。直接的體現(xiàn)是材料的電化學(xué)性能極好，但活性高、易團(tuán)聚、難分散、極片加工困難，具體表現(xiàn)在漿料制備團(tuán)聚，涂布不均勻等。

高頻紅外碳硫分析儀

3.3 ?碳含量C

?碳含量：?jiǎn)挝惑w積或單位質(zhì)量中碳元素的含量。之前說(shuō)過(guò)，磷酸鐵鋰電池的導(dǎo)電性并不是很強(qiáng)，這樣進(jìn)一步會(huì)影響離子傳導(dǎo)，過(guò)低過(guò)高對(duì)電池性能均有影響。生產(chǎn)中常使用高頻紅外碳硫分析儀進(jìn)行檢測(cè)。

???? 碳含量過(guò)高，同等質(zhì)量材料活性物質(zhì)減少，降低電池容量，電化學(xué)性能降低。

???? 碳含量過(guò)低，材料導(dǎo)電能力差，影響電池充放電速率，電化學(xué)性能降低。

振實(shí)密度測(cè)試儀

3.4 ?振實(shí)密度Tap density

? ? ?振實(shí)密度：是在規(guī)定條件下容器中的粉末經(jīng)振實(shí)后所測(cè)得的單位容積的質(zhì)量，振實(shí)密度會(huì)對(duì)極片的壓實(shí)密度產(chǎn)生一定影響，最終體現(xiàn)在電池的能量密度上。實(shí)際生產(chǎn)中，我們使用振實(shí)密度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。

卡爾費(fèi)休水分測(cè)試儀

3.5 ?水分Humidity

? ? 水分：?jiǎn)挝惑w積或單位質(zhì)量中水分的含量。電池里面比較忌諱的就是水，水分太高，會(huì)導(dǎo)致電芯極片烘烤時(shí)間延長(zhǎng)，電池脹氣，破壞電解液結(jié)構(gòu)等，多使用卡爾費(fèi)休水分測(cè)試儀。

3.6 克容量

? ? 克容量是決定電池成本的重要因素！克容量是決定電池成本的重要因素?！克容量是決定電池成本的重要因素！重要的事情說(shuō)三遍，所有的輔料都要根據(jù)正極材料的質(zhì)量來(lái)配制，我們總是希望，能夠用最少的材料實(shí)現(xiàn)最高的能量密度。

四 展望

????小編認(rèn)為磷酸鐵鋰正極材料的應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到應(yīng)有的規(guī)模，近幾年來(lái)火熱的三元電池，因其高能量密度、良好的倍率性能備受企業(yè)推崇，但是其安全性和居高不下的成本也是阻撓很多企業(yè)前進(jìn)的障礙。出現(xiàn)的磷酸鐵鋰和錳的摻雜，也許將會(huì)是使用鉛酸電池電動(dòng)自行車(chē)的終結(jié)，磷酸鐵鋰的安全性高，成本低，壽命長(zhǎng)，相信通過(guò)對(duì)材料的改進(jìn)，把磷酸鐵鋰材料的導(dǎo)電性、能量密度進(jìn)一步提升，那么他無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，也許又會(huì)迎來(lái)一波浪潮。歡迎通過(guò)個(gè)人公眾號(hào)：江子才，討論溝通。