【新书预告】锂离子电池正极材料规模化生产技术

何向明2021-09-11 12:31:54


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【新书预告】 清华大学出版社2017年12月出版 

锂离子电池正极材料规模化生产技术 

何向明,王莉,虞兰剑等编著

  

本书由学术界和产业界的技术专家联袂打造的国内第一部关于锂离子电池正极材料大规模智能制造技术的专著。为我国大规模的动力电池生产提供低成本高高稳定性的原材料,是下一步锂离子电池材料产业的新挑战。大规模的智能化生产技术为这种挑战提供了一种解决方案。

 

本书22万字,270页,精装。

作者希望把本书打造成为手册性质的工具书,成为投资人、管理人员、工程师的参考书和工作手册。本书计划近期出版。

 

       锂离子电池是当代新能源战略中非常重要的一个产品。作为目前可规模化应用的储能器件中能量密度最高的二次电池,锂离子电池已在移动通信和数码技术中发挥着重要的作用。尤其是近年来,随着锂离子电池性能和制作水平的提高,已经开始大量应用于绿色环保的新能源电动汽车或其它电动交通工具的动力来源。因此,世界上对锂离子电池的需求量已开始呈井喷式发展。

锂离子电池中正极材料是核心关键材料,正极材料决定了锂离子电池的性能和成本,因此加快正极材料的研发和改进生产工艺是当前世界各国科技界和生产厂商努力的方向。我国锂离子电池正极材料的生产量己趋身于世界的前列,但是我们的技术和生产工艺水平与国外一流的企业相比还有相当的差距。因此我们除了在理论上和工艺上要着力开发正极材料结构、制作工艺外还急需在生产技术和智能化生产方面加大开发力度。

当前锂离子电池正极材料生产工艺上真正达到量产规模的还是用高温固相合成法。许多大型的正极材料生产企业在用这种工艺方法的生产中巳投入了大量资源和人力,然而因我国还是一个发展中国家还存在大量的传统的设备和陈旧生产工艺,国家整体工业化的水平还处在工业2.0和工业3.0的阶段,距工业4.0的信息工业化还有一段距离,这个现象也同样存在于锂离子电池正极材料生产的企业中。因此我国锂离子电池正极材料生产工艺、设备管理水平上也急需转型升级,利用信息技术提升、改善,重构生产要素来深化企业组织管理水平,创新生产方式、提升资产质量和服务功能,适应市场迅速的发展和变化。本书主要介绍锂离子电池正极材料的工艺和技术,并重点介绍高温固相合成工段的大规模生产中的自动控制技术和设备,并探索如何在正极材料生产中引进信息化技术和先进的制造执行系统(MES)


本书内容(摘要)


  1. 锂离子电池材料及制备工艺

    ·  电池是通过电化学反应将电极材料的化学能转化为电能的装置。根据电化学反应的可逆反应与否,电池又可分为一次电池和二次电池。

    ·  锂离子电池是目前所有可实际应用的具备能量密度最高的二次电池。是现阶段产量最大的二次电池,而且其未来的需求量也是难以估量。

    ·  组成锂离子电池的主要部件有:正极材料、负极材料、电解液和隔膜。而正极材料是核心关键材料。它决定了锂离子电池的性能。

    ·  锂离子电池正极材料有好多品种,但磷酸铁锂,钴酸锂和三元材料是最主要的品种。

    ·  锂离子电池正极材料制备工艺中,真正能达到量产规模的是高温固相合成法。

    第二章控制结晶技术制备高性能正极材料

    ·  制备方法主要经历了直接高温固相合成法、低温固相合成法、溶胶凝胶法、水热法、微波法、喷雾分解法、超临界干燥法等等。各种方法的探索发现,控制结晶/固相反应是锂离子电池正极材料的最佳工艺。

    ·  清华大学核能与新能源技术研究院锂离子电池实验室率先开发出了独特的控制结晶—固相反应新工艺制备锂离子电池正极材料,为锂离子电池产业的发展贡献了中国人的智慧。

    ·  控制结晶技术的主要特点是制备球形电极材料。球形材料具有较高的松装密度和振实密度,有利于制备高性能的电极,能够提高电池的能量密度,同时有利于均匀的表面改性以进一步改善材料的电化学性能。

    ·控制结晶-固相反应法工艺简单,形貌质量高,易于工业化。该工艺的优势在于可以通过控制前驱体的组成、结构和形貌来控制产物的组成、结构和形貌,是具有广泛应用前景的锂离子电池正极材料制备方法,目前已经被锂离子电池正极材料产业界的普遍采用。

    ·  锂离子电池正极材料需要从三个方面进行结构调控,才能使材料最大限度地发挥其性能。也可以称为正极材料制备的三个结构层次,分别是颗粒层次、晶粒层次和晶胞层次。

    ·  控制结晶的科学基础是结晶热力学和动力学,通过结晶反应釜的优化设计以及结晶工艺参数优化,可制备出高密度高性能的正极材料前驱体。

    ·  控制结晶/固相反应工艺已经成功制备了钴酸锂材料、三元正极材料、磷酸铁锂材料、锰酸锂材料等等。

    第三章正极材料的生产和计量

    ·  高温固相合成法典型的工艺是:原料的输送和贮存,配料,混合,高温煅烧,破碎,分级,粉磨,掺杂,包覆整形,最终成品粉料定量称重包装。仍属于粉体干法生产工艺过程。

    ·  高温固相合成法中正极材料与金属材质的生产设备和管道摩擦而产生微细的金属杂质会进入物料中。微量单质铁可能引起锂离子电池内部微短路,造成起火或爆炸,所以它是影响成品电池安全性的重要因素。这在锂离子电池生产工艺中应特别加以关注的。除此之外,环境粉尘,杂质,水分也都会造成对物料的污染。

    ·  将称重计量方式这种非接触式的检测手段应用于正极材料的生产过程中,结合可编程控制器PLC和计算机技术可以较好地实现工艺流程的自动控制。

    ·  称重计量的核心关键元件是称重传感器和称重控制或变送装置。

    第四章生产过程中其它工艺参数的检测

    ·  传感器技术的应用是衡量自动控制能力的重要手段,尤其是在在线检测和闭环控制网络中各种形式的具有远传和智能功能的传感器将会大有用武之地。

    ·  适用于粉体工程的各类传感器并不很多,尤其是对比重小,粒度细,流动性差的粉体,传感器的应用尚有一定难度。具有高精度的,智能的传感器仍是我们关注的对象。

    第五章原材料的投入、混合、粉磨和输送

    ·  物料的破碎,粉磨,均匀混合和输送技术是自动化生产线上的几个重要环节。为了防止金属单质对物料的污染,大量采用了陶瓷和特氟龙等涂覆技术。在量产规模生产中粒度,水分,金属单质含量的在线检测将是我们研发方向。

    ·  本章部分探讨上述各个部分的功能和应用,但设备的开发和应用有待于这些设备的生产企业提供更先进和更完善的解决方案。

    第六章材料的煅烧及窑炉

    ·  窑炉是锂离子电池正极材料高温固相合成法中的核心关键设备,对正极材料而言物料煅烧窑炉的控温精度,温度场的均匀性,气氛控制的能力等至关重要。此外产能和能耗,自动化程度都是重要的经济技术指标。

    ·  推板窑、辊道窑、钟罩窑是当今锂离子电池正极材料煅烧常用的三种窑炉。它们的共性是物料都需装钵后才能进入窑炉的煅烧,不同的是推板窑和辊道窑是连续性生产而钟罩窑是间断性生产,产能上辊道窑最高,而品质上钟罩窑更高一些。

    ·  物料的装钵和卸钵是在高辐射温度下操作的,因此装卸钵的自动化控制程度要求很高,目前这类装卸钵自动化机件有很多形式,随着智能机器人技术的发展和介入,装卸钵的方式将更趋简洁、方便。

    第七章自动生产线上的设备

    ·  锂离子电池正极材料的自动化生产线与常规的粉体自动化生产线有许多共性,因此有许多自动化设备可以通用,但锂离子电池正极材料成品粉料的工艺要求更高,尤其是因为正极材料价格昂贵,因此要求称量包装精度很高,其次是正极材料易扬尘,易吸湿氧化因此要求尽量密闭和快速包装。本章介绍若干为达到这个工艺所要求的专用的设备。

    ·  锂离子电池正极材料的自动化生产线与常规的粉体自动化生产线有许多共性,因此有许多自动化设备可以通用,但锂离子电池正极材料成品粉料的工艺要求更高,尤其是因为正极材料价格昂贵,因此要求称量包装精度很高,其次是正极材料易扬尘,易吸湿氧化因此要求尽量密闭和快速包装。本章介绍若干为达到这个工艺所要求的专用的设备。

    第八章正极材料生产过程中的防护

    ·  窑炉内物料氧化还原反应会泄放出有害甚至是易燃易爆的气体。物料包覆工艺和干燥过程中会有易燃易爆的蒸汽出现。粉体输送过程中超细粉尘有可能会从除尘设备内泄出。气力输送过程中物料与管道摩擦产生静电火花都会引起可燃和可导电性粉尘爆炸,因此防火防爆工作始终应在生产过程中加以密切注意。

    ·  锂离子正极材料无论是原料和成品料均含有一定的毒性,但同时又要求外界的水分,杂质和粉尘不要污染产品,因此密闭式生产,脱气和灌装是生产过程中工艺上必须注意的环节。

    ·  防止金属离子污染正极材料至关重要,应自始至终贯穿于整个工艺流程中,但是最终成品粉料采用强磁场的电磁除铁器仍是主要的控制手段。

    第九章自动控制系统的构成和管理

    ·  根据工程规模的大小和生产现场的状况选择和设计正极材料自动化生产线的结构形式。计算机技术和可编程控制器PLC技术的发展将会更加深入地介入提升生产线的自动化水平。

    ·  新的故障自诊断和远程监控已经应用于生产线的自控中,目前这个技术的软件和硬件都已商品化,因此它们的应用将会越来越成熟和方便。

    第十章锂离子电池正极材料生产中的智能化控制和管理

    ·  要实现工业4.0和中国制造2025的目标关键是要大量自动采集工业现场的数据并加以妥善的整合和管理。正极材料生产还要与物联网互通互联,因此产品追溯流程中标识的使用也至关重要。

    ·  先进的生产管理MES是工业4.0对制造业企业提出的基本要求。锂电材料生产企业的MES软件设计须根据各个企业的结构和特点量身定制。

    ·  人工智能,物联网,云计算与传统工业控制的融合,必须大力推动智能制造革命。

    第十一章关键设备及系统提供商介绍

    ·  介绍目前我国主流设备制造商和系统提供商。

    ·  为工程技术人员设备选型提供参考。


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 近期还将出版《锂离子电池Pack设计手册》,王莉,何向明等编译,清华大学出版社出版。敬请关注。







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