常見的鋰電池正極材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料（NCM），三元材料具有較為平衡的成本、能量密度、循環及安全性能等優勢，成為電動汽車、電動自行車等產品的主要選擇，尤其在乘用車領域，裝機量比重日漸增長。

三元材料的性能和成本主要取決于生產工藝和關鍵設備的選擇，而與日韓一流企業相比，目前我國的生產工藝和裝備水平差距較大，急需轉型升級。

那么，三元材料制備過程中用到的關鍵設備有哪些呢？

三元材料的工業化生產

目前工業化生產三元材料采用的主流生產工藝為：共沉淀法制備前驅體，然后將其與鋰源混合固相燒結制成三元材料。

具體工藝流程如下圖：

三元材料工業化生產的主流工藝流程示意圖

前驅體的制備關鍵設備

1. 反應釜

反應釜是前驅體反應的核心設備，其釜體大小、攪拌器形式、擋板數量及尺寸、有無導流筒、進料位置、有無增固裝置等結構特征均會影響前驅體的密度、形貌、比表面積、結晶程度、粒度大小及分布等性能。

2. 過濾和洗滌設備

過濾和洗滌設備的作用是將反應得到的前驅體漿料實現固液分離，然后采用洗滌液對得到的前驅體濾餅進行洗滌，去除殘留在濾餅中的硫酸根、氯根、鈉離子等。

目前大多數前驅體廠家采用過濾洗滌一體化設備，主要有壓濾機、離心機、微孔過濾機、過濾洗滌“二合一”設備等。

幾種前驅體過濾洗滌設備對比

3. 干燥設備

干燥工序決定了前驅體成品的水分含量，并且對晶體結構有一定的影響，是一個重要工序，干燥設備能否正確選擇直接關系到產品的質量、操作環境和生產成本。前驅體濾餅在空氣中的干燥溫度應小于150℃。當溫度達到400℃時，前驅體會被氧化變成三價氧化物。

不同干燥溫度下前驅體的總金屬含量和比表面積

目前常用的前驅體干燥設備有熱風循環烘箱、盤式干燥機、閃蒸干燥機、回轉滾筒干燥機等。

幾種前驅體干燥設備對比

三元材料的生產關鍵設備

1. 配混料設備

在三元材料生產中，配混料是將化學計量比的鋰鹽、前驅體、添加劑加入混合設備進行均勻混合，其均勻性會影響燒結過程中鋰、添加劑的均勻性，直接影響三元材料的結晶程度和殘堿量，最終體現在電性能上。

三元材料最終鋰配比的穩定性取決于原材料稱量的準確度，均勻性取決于混料機的混合效果。

混合一般分濕法混合和干法混合，三元材料通常采用干法混合。目前常用的三元材料混料設備有斜式混料機、高速混料機、V型混料機、犁刀飛刀混料機等。

幾種三元材料混料設備對比

2. 燒結設備

燒結設備是三元材料制備的核心設備，主要指窯爐，其結構對三元材料的物理性能和電化學性能均有較大影響。目前三元材料工業化生產主要采用推板窯和輥道窯，其中尤以輥道窯使用最為廣泛。

三元材料的燒結溫度是最重要的工藝參數，可以影響材料的大部分性能，因此三元材料對窯爐溫度的穩定性和精度要求較高，溫控系統對三元材料的燒結至關重要。

推板窯和輥道窯對比

3. 粉碎設備

在三元材料生產中，由于燒結料顆粒之間有團聚和粘連現象，因此需要采用粉碎設備對燒結料進行解離，以此來控制粉體的粒度大小及其分布。粒度大小及其分布會影響三元材料的比表面積、振實密度、壓實密度、加工性能和電化學性能等，對于三元材料的成品質量非常重要。

三元材料粉碎通常先將燒結料進行粗碎，再進行粉磨。粗碎設備一般采用鄂式破碎機或輥式破碎機；粉磨設備一般采用氣流磨、機械磨、膠體磨，其中粉磨直接決定三元材料的粉碎程度，

幾種三元材料粉磨設備對比

4. 除鐵設備

三元材料的金屬異物需要控制在幾十ppb（1ppb=1×10^-9 m）級水平，金屬異物過高會導致電池自放電率大，甚至影響到電池的安全性能。

三元材料的金屬異物主要來源于原材料和生產過程中的設備磨損，并且主要以磁性金屬雜質為主，尤其是金屬鐵。因此生產過程需要對成品進行除鐵一次甚至多次，常用的除鐵設備有電磁除鐵器和永磁除鐵器。

兩種除鐵設備對比

總結

鋰電池產業的發展離不開材料品質的提升，目前整體上三元材料向高鎳方向發展，而高鎳三元材料對生產的工藝、裝備、環境、氣氛要求較高，生產線必須實現較高的自動化水平，尤其在生產車間的溫濕度、氣氛控制方面需加強。三元材料產業化設備將逐漸向智能化、大產能、低能耗、環境友好的方向發展，以此來滿足動力電池對三元材料高性能、低成本的要求。

參考來源：

三元材料及其前驅體產業化關鍵設備的應用，宋順林、劉亞飛、陳彥彬（北京當升材料科技股份有限公司、北京礦冶研究總院）

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