當前鋰離子電池正極材料的大規模生産主要采用“濕法製備前驅體—高溫固相閤成”技術路綫。眾多生産企業針對這種工藝方法投入瞭大量資源和人力,使得該技術日臻完善。然而,我國還是一個發展中國
傢,設備陳舊、生産工藝僵化的現象普遍存在,國傢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。這是阻礙我國製造業效率和品質的主要問題,這個現象也同樣存在於鋰離子電池正極材料生産企業中。因此,我國鋰離子電池正極材料的生産工藝、設備管理水平亟需轉型升級,利用信息技術提升、改善、重構生産要素,提高企業組織管理水平,創新生産方式,提升資産質量和服務功能,以適應市場的迅速發展和變化。
《鋰離子電池正極材料規模化生産技術》主要介紹鋰離子電池正極材料的工藝和技術,重點介紹大規模生産中高溫固相閤成工段的自動控製技術和設備,並探索如何在生産中引進信息化技術和先進的製造執行係統(MES)。
《鋰離子電池正極材料規模化生産技術》針對鋰離子電池正極材料大規模生産中的具體工藝及設備,以主流工藝(濕法製備前驅體—高溫固相閤成技術路綫)中的前驅體製備與設備、過程工藝參數及檢測儀錶、原料的處理與輸送設備、正極材料的生産與計量、自動化生産與智能控製、安全防護等作為研究對象,結閤編著者多年的工作經驗,討論瞭正極材料大規模工業化生産中的自動化、智能化工廠的設計,以及産品質量的控製設備儀錶的選擇安裝操作等內容;重點介紹瞭大規模生産中的自動控製技術和設備,並探索如何在生産中引進信息化技術和先進的製造執行係統(MES),以期為我國鋰離子電池正極材料生産工藝和設備管理的轉型升級提供參考藉鑒。
目錄
第1章 鋰離子電池材料及製備工藝 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製備技術 12
1.5.1 鈷酸鋰 12
1.5.2 錳酸鋰 13
1.5.3 三元材料 13
1.5.4 磷酸鐵鋰 16
第2章 控製結晶技術製備高性能正極材料前驅體 19
2.1 正極材料規模製備技術的發展簡介 20
2.2 影響正極材料性能的要素 23
2.3 控製結晶技術的原理 27
2.3.1 晶體的成核 28
2.3.2 晶體的生長 36
2.4 控製結晶技術的設備與工藝 37
2.4.1 典型正極材料的控製結晶製備工藝 44
2.4.2 三元材料前驅體的陳化及陳化釜 48
2.4.3 三元前驅體的乾燥工藝與設備 49
2.5 控製結晶-固相反應技術的經濟性分析 53
第3章 生産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 通用型溫度控製儀錶 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 阻鏇式料位計 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、混閤、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 原料的混閤 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 混閤、破碎、粉磨、輸送設備的傳動和控製 110
第5章 煆燒及窯爐 115
5.1 窯爐 116
5.1.1 推闆窯 116
5.1.2 輥道窯 121
5.1.3 鍾罩窯 123
5.1.4 迴轉窯 126
5.2 煆燒運行 126
5.2.1 裝鉢設備 128
5.2.2 卸鉢設備 129
5.3 機械輸送設備 131
5.4 幾種裝卸鉢機械的實體圖樣 132
第6章 正極材料的生産和計量 137
6.1 正極材料生産中的特殊性 138
6.1.1 金屬單質的危害 138
6.1.2 水分含量的控製 139
6.1.3 自動化生産過程中的應對手段 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 正極材料生産綫上典型的稱重計量裝置 157
6.5.1 生産綫上稱重計量裝置的連接 160
6.5.2 生産綫上眾多稱重計量裝置的集中管理 165
第7章 自動化生産綫上的其他設備 167
7.1 自動稱重 168
7.2 自動上袋機 169
7.3 自動抽真空和熱閤封口機 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産過程中的安全防護 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 電氣接地係統 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閤適的破拱器具 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汙染 199
第9章 生産綫自動控製係統的設計 203
9.1 工藝流程圖的設計 204
9.2 自控係統的總體設計考慮 209
9.3 工業控製網絡 210
9.4 現場總綫和工業以太網 212
9.5 監控軟件畫麵製作與操作 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 監控畫麵製作的一般步驟 218
9.9 常用報錶編製方法 219
9.10 自動化生産的遠程監控和診斷 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産中的智能化控製與管理 227
10.1 鋰電行業發展需要電池材料的智能製造 228
10.2 産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 射頻識彆(RFID)裝置 233
10.2.4 無綫網絡在自動化生産綫上的應用 234
10.3 先進製造執行係統(MES)的應用 236
10.4 鋰離子電池正極材料規模生産綫的行業特點 237
10.5 南大紫金公司NMES功能模塊介紹 238
10.6 鋰離子電池産業技術的革命 241
第11章 工藝、設備、材料及係統提供商 245
參考文獻 266
前言
作為可規模化應用儲能器件中能量密度最高的二次電池,鋰離子電池已覆蓋瞭絕大部分移動通信和數碼産品市場,並對其技術進步産生重要的影響。近年來,隨著性能和製作水平的提高,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,成為新能源産業中非常重要的一個産品,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,決定瞭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産技術的研發,是當前世界各國科技界和生産廠商努力的方嚮。我國鋰離子電池正極材料的生産量已躋身於世界的前列,但技術和生産工藝水平與國外一流企業相比還有相當大的差距。因此我們除瞭在理論和工藝上著力開發高效正極材料結構、研究製作工藝外,還亟需在生産技術和智能化生産方麵加大研發力度。
當前鋰離子電池正極材料的大規模生産主要采用“濕法製備前驅體—高溫固相閤成”技術路綫。眾多生産企業針對這種工藝方法投入瞭大量資源和人力,使得該技術日臻完善。然而,我國還是一個發展中國傢,設備陳舊、生産工藝僵化的現象普遍存在,國傢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。這是阻礙我國製造業效率和品質的主要問題,這個現象也同樣存在於鋰離子電池正極材料生産企業中。因此,我國鋰離子電池正極材料的生産工藝、設備管理水平亟需轉型升級,利用信息技術提升、改善、重構生産要素,提高企業組織管理水平,創新生産方式,提升資産質量和服務功能,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,重點介紹大規模生産中高溫固相閤成工段的自動控製技術和設備,並探索如何在生産中引進信息化技術和先進的製造執行係統(MES)。
本書由清華大學核能與新能源技術研究院的何嚮明、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、製圖,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,宜文提供瞭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,在此錶示誠摯的感謝。本書在編寫過程中還參閱瞭很多文獻和資料,感謝相關專傢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,懇請廣大專傢和讀者給予批評指正。
編 者
2017年6月
作為一名對新能源技術充滿好奇心的愛好者,我一直關注著鋰離子電池的最新發展。當我在書店看到這本《鋰離子電池正極材料規模化生産技術》時,我的第一反應是,這是否一本深奧到難以理解的專業書籍?然而,翻開目錄,我驚喜地發現,它並非隻充斥著晦澀難懂的化學公式和工程術語,而是以一種相對易於接受的方式,將復雜的規模化生産過程展現在讀者麵前。書中不僅講解瞭常見的正極材料,如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及鎳鈷錳三元材料的生産工藝,還著重強調瞭在規模化生産中,如何平衡材料性能與成本效益。例如,在講解磷酸鐵鋰的生産時,書中詳細介紹瞭碳熱還原法、濕法閤成法等不同工藝路綫的優缺點,以及在放大生産過程中,如何優化反應條件,提高産率,降低能耗。特彆讓我印象深刻的是,書中還探討瞭如何通過精細化控製粒徑、形貌和導電碳層的包覆,來提升材料的壓實密度和電化學性能,這對於提高電池的能量密度和循環壽命至關重要。書中的圖錶和案例分析,將抽象的生産流程具象化,讓我這個非專業人士也能對鋰離子電池正極材料的工業生産有一個初步的瞭解。雖然我無法完全深入理解所有的技術細節,但這本書成功地激發瞭我對這一前沿産業的興趣,讓我看到瞭技術進步如何驅動著能源革命的步伐。
評分我是一名材料專業的本科生,對鋰離子電池技術抱有濃厚的興趣,並希望將來能從事相關領域的工作。在課堂上,我們學到瞭一些關於正極材料的理論知識,例如不同晶體結構對電化學性能的影響,但對於如何將這些理論轉化為實際的工業生産,我知之甚少。偶然間得知瞭《鋰離子電池正極材料規模化生産技術》這本書,我抱著學習的態度閱讀瞭部分章節。這本書用通俗易懂的語言,結閤大量的圖錶和實例,為我描繪瞭一幅鋰離子電池正極材料工業化生産的宏偉藍圖。書中不僅詳細介紹瞭各種正極材料的閤成方法,還著重講解瞭在放大生産過程中,如何控製反應條件,如何選擇閤適的設備,以及如何確保産品質量的穩定。我印象最深刻的是書中關於“成本控製”的章節,它詳細分析瞭影響正極材料生産成本的各個因素,並提齣瞭相應的降低成本的策略,例如優化原料配比、提高收率、降低能耗等。這些內容對於我這樣即將步入職場的學生來說,非常有價值,讓我能夠提前瞭解行業的需求和未來的發展方嚮。這本書不僅僅是一本技術書籍,更是一本啓迪思想、指引方嚮的讀物。
評分在我看來,一本優秀的技術書籍,不僅要講解“是什麼”,更要解釋“為什麼”以及“怎麼做”。《鋰離子電池正極材料規模化生産技術》這本書,恰恰做到瞭這一點。它並沒有停留在簡單地介紹各種閤成方法,而是深入剖析瞭每種方法在規模化生産過程中可能遇到的技術難點,以及背後的科學原理。例如,在講解“濕法閤成”時,書中會詳細解釋為什麼在攪拌速度、pH值、添加順序等參數發生變化時,會影響到最終産物的形貌和粒徑分布,並給齣瞭相應的調控方法。對於“熱處理”環節,書中更是進行瞭細緻的分析,包括不同氣氛、不同溫度梯度對材料晶體結構、雜質含量以及比錶麵積的影響,並指導讀者如何通過優化熱處理工藝來獲得性能更優異的正極材料。此外,書中對於“批次一緻性”的探討,以及如何通過建立完善的質量管理體係來確保産品質量的穩定,也給我留下瞭深刻的印象。在我看來,這本書不僅僅是一本技術手冊,更是一本能夠幫助讀者深入理解鋰離子電池正極材料規模化生産背後科學原理的“思想指南”,能夠幫助我們從“知其然”提升到“知其所以然”。
評分我是一名在鋰離子電池行業摸爬滾打瞭十多年的技術管理者,深知規模化生産過程中,技術、成本、質量、安全、環保等多個環節相互製約,缺一不可。這本書的齣版,無疑為我們提供瞭一個寶貴的參考。它係統地梳理瞭當前主流正極材料的規模化生産技術,並從宏觀到微觀,從整體到細節,都給予瞭深入的分析。我尤其欣賞書中對“過程控製”的強調。在規模化生産中,任何一個微小的偏差都可能導緻産品質量的波動,因此,建立一套完善的過程控製體係至關重要。書中詳細介紹瞭如何利用先進的檢測手段,如X射綫衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、粒徑分析儀等,來監控生産過程中的關鍵參數,並根據實時數據進行調整,以確保産品質量的穩定。此外,書中還探討瞭如何通過優化反應釜的設計、混閤器的選型、乾燥設備的參數設置等,來提高生産效率,降低能耗,減少批次間的差異。對於安全生産和環保方麵的考量,書中也給予瞭充分的關注,提供瞭許多實用的建議。總而言之,這是一本集理論、實踐、前瞻性於一體的技術著作,為鋰離子電池正極材料的規模化生産提供瞭全方位的指導。
評分從電池包集成商的角度來看,正極材料的性能和生産成本是影響整個電池係統成本和性能的關鍵因素。我所在的團隊一直在尋求更穩定、更高能量密度、更低成本的正極材料解決方案。坦白說,我之前對正極材料的生産細節瞭解得並不深入,更多的是關注其宏觀的電化學性能指標。但閱讀瞭《鋰離子電池正極材料規模化生産技術》之後,我纔真正認識到,材料的優異性能並非一蹴而就,而是建立在精細化、規模化的生産工藝之上。書中對於不同閤成方法(如固相法、液相法)的成本效益分析,以及如何通過優化工藝參數來降低生産成本,例如減少昂貴原料的使用、提高收率、降低能耗等,都給瞭我很多啓發。此外,書中還詳細介紹瞭如何通過錶麵包覆改性技術來改善材料的循環穩定性和倍率性能,這對於我們開發高性能電池至關重要。理解瞭這些生産背後的技術細節,我能夠與正極材料供應商進行更深入、更有效的溝通,也能更準確地評估不同材料的潛力和風險。這本書讓我從一個“使用者”的角色,轉變為一個對“生産者”的技術有瞭更深層次理解的“閤作者”,這對於我們未來在新材料的選擇和閤作上,無疑具有重要的指導意義。
評分這本書就像一位經驗豐富的導師,為我在鋰離子電池正極材料的規模化生産道路上指明瞭方嚮。過去,我們在實驗室閤成的材料,在放大生産時常常會遇到形貌控製睏難、粒徑分布不均、雜質含量超標等問題,導緻最終産品性能不達標,良品率低。這本書詳細地分析瞭這些問題産生的原因,並提供瞭相應的解決方案。例如,在講解“流延法”和“噴霧乾燥法”在正極材料前驅體製備中的應用時,書中不僅介紹瞭這兩種方法的原理,還深入剖析瞭在放大過程中,如何優化進料濃度、霧化壓力、乾燥溫度等參數,以獲得具有優異流動性和分散性的前驅體。對於關鍵的“燒結工藝”,書中更是給予瞭極大的篇幅,詳細講解瞭不同氣氛、不同溫度梯度對材料晶體結構、顆粒生長以及比錶麵積的影響,並給齣瞭相應的優化策略,以確保批次間産品性能的一緻性。此外,書中對於“後處理工藝”,如洗滌、過濾、乾燥、篩分等環節的細節也進行瞭詳細的闡述,這些看似簡單的步驟,在規模化生産中卻是影響産品質量和生産效率的關鍵。讀完這本書,我感覺像是打通瞭任督二脈,對規模化生産中的每一個環節都有瞭更清晰的認識,也更有信心去解決實際生産中遇到的難題。
評分我是一名對環保和可持續發展非常關注的普通讀者。在瞭解瞭鋰離子電池的重要性之後,我開始關注它的生産過程是否對環境造成負麵影響。偶然間看到瞭這本書,《鋰離子電池正極材料規模化生産技術》,我本以為會是一本純粹的技術手冊,但閱讀之後,我發現它也觸及到瞭環保和可持續生産的一些重要方麵。書中在介紹各種閤成方法時,會對比不同工藝的能耗、廢水廢氣排放等情況,並提齣一些綠色生産的理念和技術。例如,在講解濕法閤成時,書中會提到如何優化溶劑的迴收和循環利用,以及如何減少有害物質的使用。在講解廢棄物處理時,書中也給齣瞭一些建議,雖然不是本書的重點,但對於我這樣的讀者來說,能夠瞭解到生産過程中對於環保的考量,讓我對鋰電池産業的未來發展更有信心。此外,書中在討論如何降低生産成本時,也間接促進瞭可持續生産,因為更低的成本往往意味著更高的資源利用效率和更少的能源消耗。雖然我無法完全理解所有的專業術語,但這本書讓我看到瞭,科技發展並非總是以犧牲環境為代價,而是可以通過技術創新來實現綠色、高效的生産。
評分作為一名在電池材料領域摸索多年的技術人員,我深知“規模化”這三個字背後所蘊含的巨大挑戰。許多實驗室裏的“明星材料”,在走嚮工業化生産的過程中,往往會因為成本、設備、工藝控製等各種原因而夭摺。這本書的齣現,恰恰聚焦於這個至關重要的環節。它不僅介紹瞭當前主流的正極材料,如LFP、NCM、NCA等,還深入探討瞭它們在不同生産工藝下的技術特點和生産難點。我尤其贊賞書中對“連續化生産”和“智能化製造”的探討。在過去,我們很多生産流程還是停留在批次生産的模式,效率低下且批次一緻性難以保證。這本書則提供瞭如何將批次生産嚮連續化、半連續化生産過渡的思路和技術路徑,以及如何利用先進的自動化和智能化技術來提升生産效率、降低人力成本、提高産品質量。書中關於“在綫監測”和“實時反饋控製”的章節,讓我看到瞭未來智能工廠的雛形,也為我們優化現有生産綫、引入新技術提供瞭重要的理論指導和實踐參考。總而言之,這是一本麵嚮未來的、具有前瞻性的技術著作,它不僅解決瞭當前規模化生産的痛點,更指明瞭未來發展方嚮。
評分我是一位從事鋰離子電池正極材料研發已有十餘年的工程師,在這本書齣版之前,我曾花費大量時間和精力,在各種期刊、會議和行業報告中搜尋有關規模化生産的寶貴信息。然而,很多公開的信息往往停留在實驗室研究階段,或者過於籠統,無法指導實際的生産操作。這本書的齣現,無疑解決瞭許多我們長期以來麵臨的痛點。它係統地梳理瞭當前主流正極材料規模化生産的關鍵技術,包括前驅體製備、閤成反應、後處理(如洗滌、乾燥、篩分)以及關鍵的包覆改性技術。書中對每一種技術的原理、工藝流程、關鍵控製點以及可能遇到的問題都進行瞭詳盡的闡述。我尤其欣賞書中在講解“固相反應法”和“濕法閤成法”時,對不同工藝參數(如反應溫度、氣氛、時間、原料配比)的敏感性分析,以及如何通過優化這些參數來控製材料的晶體結構、顆粒大小和分布。此外,書中對於“批次一緻性”的強調,以及如何通過建立完善的質量控製體係來保證産品質量的穩定,也讓我受益匪淺。過去,我們在生産過程中常常會遇到批次間的差異,導緻産品性能不穩定,而這本書提供瞭一些行之有效的解決方案。這本書並非僅僅是一本理論教材,更是一本貼近實際生産的“操作手冊”,為我們解決生産難題提供瞭重要的參考。
評分這本書的齣版,無疑為鋰離子電池産業的從業者,特彆是緻力於正極材料規模化生産的技術人員和管理者,帶來瞭一場及時雨。我是一名在鋰電池行業摸爬滾打瞭多年的研發工程師,深知從實驗室的剋級閤成到工業化噸級生産,其中的鴻溝之大,技術挑戰之復雜。過去,我們常常在文獻中看到各種新穎的閤成方法,或是性能優異的實驗室數據,但當真正要將這些技術推嚮市場,麵對成本、效率、一緻性、環保等一係列嚴峻的現實問題時,往往會遭遇瓶頸,甚至無從下手。這本書的齣現,恰恰填補瞭這一重要的知識空白。它並非簡單地羅列各種閤成路綫,而是從規模化生産的視角齣發,深入剖析瞭每一個環節可能遇到的技術難題,並提供瞭切實可行的解決方案。例如,在正極材料的閤成過程中,粒徑分布的控製、形貌的均勻性、雜質的去除、相結構的穩定性,這些看似微小的因素,在規模化生産中都會被無限放大,直接影響到最終産品的性能和成本。這本書對這些關鍵參數的控製方法進行瞭詳細的闡述,並結閤瞭實際的工業生産案例,讓我們能夠更直觀地理解理論與實踐之間的聯係。此外,對於生産過程中涉及到的設備選型、工藝參數優化、質量控製體係的建立,書中也給予瞭充分的關注,這些都是決定生産效率和産品質量的核心要素。總而言之,這是一本具有極高參考價值的實踐性指南,它能夠幫助我們跨越技術鴻溝,加速高性能鋰離子電池正極材料的産業化進程。
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