磷酸鐵鋰正極材料製作工藝

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親愛的看官，以下內容為掃盲級別，專業請繞行。

一、概述

電池界的各位磚家都知道，磷酸鐵鋰在這個行業中的地位。相對於傳統的鉛酸電池，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，不含對人體有害的金屬元素；壽命長，在100%DOD下，可以充放電2000次以上；充電性能良好；價格低廉；環保。但是他也有著一些缺點，電極離子傳導率差，不適宜大電流的充放電；能量密度較新型三元材料低。

據行業最新趨勢，各企業在大力研發三元電池的同時，對磷酸鐵鋰的研發也從沒有停止過，正交橄欖石結構的LiFePO4 正極材料是否再次成為國內外的研究熱點還很難說，今天咱主要說說磷酸鐵鋰正極材料的製備工藝。

常見的有固相合成法、液相合成法以及放電等離子燒結技術，噴霧熱分解技術和脈衝激光沉積。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、無氨氣排放工藝成本低等優點，受到眾多材料廠家青睞。主要的生產工藝包括混料、噴霧乾燥、燒結、粉碎、混合、烘烤、包裝。

2.1 混料

先將材料進行配料稱重，加入去離子水，在混合攪拌缸裡面充分混合、攪拌，配料主要是磷酸鐵，碳酸鋰等材料。碳酸鋰就不說了，是我們的主要鋰源，他是一種無機化合物，化學式為Li2CO3，為無色單斜晶繫結晶體或白色粉末，密度2.11g/cm3，熔點723℃，溶於稀酸，微溶於水，在冷水中溶解度較熱水下大，不溶於醇及丙酮。而我們的磷、鐵主要來源於磷酸鐵，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，摩爾質量：150.82，溶於硫酸，難溶於其它酸，不溶於水、醋酸、醇。

2.2 噴霧乾燥

將攪拌好的膠料，通過壓力噴出，經過噴霧乾燥機後變成我們想要的顆粒。噴霧乾燥機是一種可以同時完成乾燥和造粒的裝置。按工藝要求可以調節料液泵的壓力、流量、噴孔的大小，得到所需的按一定大小比例的球形顆粒。工作原理為空氣經過濾和加熱，進入乾燥器頂部空氣分配器，熱空氣呈螺旋狀均勻地進入乾燥室。料液經塔體頂部的高速離心霧化器，(旋轉)噴霧成極細微的霧狀液珠，與熱空氣併流接觸在極短的時間內可乾燥為成品。成品連續地由乾燥塔底部和旋風分離器中輸出，廢氣由引風機排空。

2.3 燒結

使用鋰電池輥道爐，對乾燥後的材料進行燒結，市場上先進的輥道爐採用先進的紅外技術和先進的爐膛材料，提高了設備的熱效率;採用先進的溫度控制技術，保證溫度控制的精確度;利用成熟的爐體設計技術，保證爐溫的均勻性;採用科學合理的傳動機構，保證推板運行的平整、穩定;多路氣氛的引入，保證了爐腔內氣氛的均勻性及廢氣的排放,從而保證產品的燒成質量。

2.4 粉碎

使用氣流磨設備，對燒結的材料進行粉碎。氣流磨工作原理：壓縮空氣經拉瓦爾噴咀加速成超音速氣流後射入粉碎區使物料呈流態化（氣流膨脹呈流態化床懸浮沸騰而互相碰撞），因此每一個顆粒具有相同的運動狀態。在粉碎區，被加速的顆粒在各噴咀交匯點相互對撞粉碎。粉碎後的物料被上升氣流輸送至分級區，由水平布置的分級道篩選出達到粒度要求的細粉，未達到粒度要求的粗粉返回粉碎區繼續粉碎。合格細粉隨氣流進入高效旋風分離器得到收集，含塵氣體經集塵器過濾凈化後排入大氣。

2.5 混合分級

對粉碎後的磷酸鐵鋰粉體混合後，按照顆粒大小進行分級，根據我們的需求，對顆粒過大的重新進行分級。粉體混合設備常用於醫藥行業，常見的混合設備有雙螺旋錐混合、卧式無重力混合機、卧式犁刀混合機。

2.6 烘烤

對合格的磷酸鐵鋰粉料進行烘烤，去除水分。一般使用的是雙錐乾燥機。工作原理為：雙錐乾燥機為雙錐形的迴轉罐體，罐內在真空狀態下，向夾套內通入蒸汽或熱水進行加熱，熱量通過罐體內壁與濕物料接觸。濕物料吸熱後蒸發的水汽，通過真空泵經真空排氣管被抽走。由於罐體內處於真空狀態，且罐體的迴轉使物料不斷的上下、內外翻動，故加快了物料的乾燥速度，提高幹燥效率，達到均勻乾燥的目的。

乾燥後的粉末，檢測合格後就使用成品包裝設備，包裝後即可發往各電池廠。

三、磷酸鐵鋰材料的參數

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，光是原有材料的製作，也需要嚴格把控，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製作過程中，需嚴格監控並實時測量各參數，主要有粒徑、比表面積、碳含量、振實密度、水分、克容量。

3.1 粒徑

粒徑：當被測顆粒的某種物理特性或物理行為與某一直徑的同質球體最相近時，就把該球體的直徑作為被測顆粒的等效粒徑。實際生產中，常使用馬爾文激光粒度儀進行測試，整理常用D10，D50，D90方式記錄檢查。

粒徑太小，同等質量的材料的顆粒數量越多，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部擴散路徑增加，電化學反應活性降低。

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重要的參數。比表面積：單位體積或單位質量顆粒的總表面積。通常情況下，磷酸鐵鋰的比表面積與碳含量呈線性關係。生產中有比表面積測試儀進行測試。

比表面積太小，說明材料的碳包覆量不夠，直接體現是電池內阻偏高、放電平台低、容量發揮低、倍率性能不佳、循環性能不好。

比表面積過大，說明材料的碳包覆量過高或者粒度呈納米級。直接的體現是材料的電化學性能極好，但活性高、易團聚、難分散、極片加工困難，具體表現在漿料製備團聚，塗布不均勻等。

3.3 碳含量C

碳含量：單位體積或單位質量中碳元素的含量。之前說過，磷酸鐵鋰電池的導電性並不是很強，這樣進一步會影響離子傳導，過低過高對電池性能均有影響。生產中常使用高頻紅外碳硫分析儀進行檢測。

碳含量過高，同等質量材料活性物質減少，降低電池容量，電化學性能降低。

碳含量過低，材料導電能力差，影響電池充放電速率，電化學性能降低。

3.4 振實密度Tap density

振實密度：是在規定條件下容器中的粉末經振實後所測得的單位容積的質量，振實密度會對極片的壓實密度產生一定影響，最終體現在電池的能量密度上。實際生產中，我們使用振實密度測試儀進行測試。

3.5 水分Humidity

水分：單位體積或單位質量中水分的含量。電池裡面比較忌諱的就是水，水分太高，會導致電芯極片烘烤時間延長，電池脹氣，破壞電解液結構等，多使用卡爾費休水分測試儀。

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！重要的事情說三遍，所有的輔料都要根據正極材料的質量來配製，我們總是希望，能夠用最少的材料實現最高的能量密度。

四 展望

小編認為磷酸鐵鋰正極材料的應用還遠遠沒有達到應有的規模，近幾年來火熱的三元電池，因其高能量密度、良好的倍率性能備受企業推崇，但是其安全性和居高不下的成本也是阻撓很多企業前進的障礙。出現的磷酸鐵鋰和錳的摻雜，也許將會是使用鉛酸電池電動自行車的終結，磷酸鐵鋰的安全性高，成本低，壽命長，相信通過對材料的改進，把磷酸鐵鋰材料的導電性、能量密度進一步提升，那麼他無可比擬的優點，也許又會迎來一波浪潮。

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