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一、背景
磷酸鐵鋰(分子式LiFePO4,,簡稱LFP)是鋰離子電池的一種正極材料,,其特點是原材料價格低廉、工作電壓適中、比容量大,、比功率高,、可快速充電、循環(huán)壽命長,、穩(wěn)定性高等,。
1996年,日本NTT(電信電話株式會社)最早報道了磷酸鐵鋰的橄欖石型晶體特征,。1997年美國德州大學Goodenough教授研究團隊也接著報道了LFP的可逆性嵌入脫出鋰離子性能及其橄欖石結構,。美國與日本不約而同地發(fā)表磷酸鐵鋰的橄欖石結構(LiMPO4),使得該材料受到了極大的重視,,并引起廣泛的關注和迅速的發(fā)展,。
雖然磷酸鐵鋰具有諸多優(yōu)點,,但是LFP材料卻存在致命的缺陷,,電子電導率低等。2001年,,Velence首先發(fā)現(xiàn)了碳包覆和碳熱還原技術,,成功解決了LFP電導率低的問題,使磷酸鐵鋰材料的性能進一步提高,,緊接著A123SYSTEMS的技術團隊發(fā)現(xiàn)了離子摻雜和納米化技術,,大幅提高磷酸鐵鋰的導電性,磷酸鐵鋰開始進入大規(guī)模應用階段,。
二,、磷酸鐵鋰正極材料的生產(chǎn)配方
磷酸鐵:純度99.5%以上,D90粒度小于5um,;碳酸鋰:純度99.5%以上,,D90粒度小于5um ;蔗糖:純度99.5%以上,,D90粒度小于5um ,; 純水:電導率大于10兆歐;氮氣:99.999% ,;分散劑:聚乙二醇(PEG),。
三、磷酸鐵鋰正極材料的工藝過程及其與粉體設備的關系
1.磷酸鐵烘干除水
(1)烘房烘干工序:不銹鋼匣缽裝滿原料磷酸鐵置入烘房,,調節(jié)烘房溫度220± 20℃,6-10小時烘干,。出料轉下一工序至回轉爐燒結,。
(2)回轉爐燒結工序:回轉爐升溫、通氮氣達到要求后,進料(來自上工序烘房的 物料),,調節(jié)溫度540±20℃,,燒結8-12小時。
此過程包括兩道工序,,分別是烘房烘干工序,、 回轉爐燒結工序,與之對應的兩種粉體設備是烘房,、回轉爐。
2.研磨機混料工序
(1)碳酸鋰研磨:稱量碳酸鋰13Kg,、蔗糖12Kg,、純水50Kg,混合研磨1-2小時,。暫停,。
(2)混合研磨:在上述混合液中加入磷酸鐵50Kg,,純水25Kg,混合研磨1-3小時,。停機,出料轉入分散機,。取樣測粒度。
(3)清洗:稱量100Kg純水,,分3-5次清洗研磨機,,洗液全部轉入分散機。
此過程包括三道工序,,分別是碳酸鋰研磨,、混合研磨、清洗,,涉及到的粉體設備有研磨機,、混合機、分散機,。
3.分散機物料分散工序
將上述兩臺研磨機混合好(或者1臺研磨機兩次混合)的物料約500Kg(包括清洗研磨機的物料)一起轉入分散機,再加入100Kg純水,,調節(jié)攪拌速度,,充分攪拌分散1-2小時,,等待用泵打入噴霧干燥設備。
此過程包括三道工序,,分別是研磨混合,、清洗物料、分散攪拌,,涉及到的粉體設備有研磨機,、混合機、分散機,。
4.噴霧干燥工序
(1)調節(jié)噴霧干燥設備的進口溫度220±20℃,,出口溫度110±10℃,進料速度 80Kg/hr,,然后,,開始進料噴霧干燥,得到干燥物料,。
(2)可以按照噴霧粒度大小調節(jié)固含量為15%~30%,。
此過程包括兩道工序,分別是調節(jié)溫度,、噴霧干燥,,涉及到的粉體設備是噴霧干燥機。
5.液壓機物料壓塊裝料
分別調節(jié)液壓機的壓力為150噸和175噸,,在模具中裝入噴霧干燥好的物料,,保壓一定時間,壓實成塊狀,。裝入匣缽轉入推板爐,。同時,放入幾組散裝樣品,,與壓成塊狀的物料進行對比,。
此過程包括兩道工序,分別是壓塊,、裝料,,涉及到的粉體設備有液壓機、推板爐,。
6. 推板爐燒結
先升溫,,通氮氣,達到氣氛要求100ppm以下,,將匣缽推入推板爐,,按升溫段300-550℃,4-6小時,;恒溫段750℃8-10小時,;降溫段6-8小時進行,,出料。
此過程包括五道工序,,分別是升溫、通氮氣,、升溫,、恒溫、降溫,,涉及到的粉體設備是推板爐,。
7.輥壓超細磨
將推板爐燒好的物料輸入超細磨,調節(jié)轉速,,進行輥壓研磨后送入超細磨進行研磨,。每批取樣測試粒度。
此過程包括兩道工序,,分別是超細磨,、測粒度,涉及到的粉體設備是研磨機,。
8.篩分,、包裝
將研磨物料進行篩分、包裝,。5Kg,、25Kg兩種規(guī)格。
此過程包括兩道工序,,分別是篩分,、包裝,涉及到的粉體設備是篩分,、包裝機,。
四、磷酸鐵鋰的地位
鋰離子電池因其具有能量密度高,、自放電流小,、安全性高、可大電流充放電,、循環(huán)次數(shù)多,、壽命長等優(yōu)點,越來越多地應用于手機,、筆記本電腦,、數(shù)碼相機、電動汽車,、航空航天,、軍事裝備等多個領域,。
國家工信部發(fā)布的《2016年1-9月我國電池制造業(yè)經(jīng)濟運行情況》中顯示,2016年1-9月,,我國電池制造業(yè)主要產(chǎn)品中,,鋰離子電池累計完成產(chǎn)量52.4億自然只,同比增長32.8%,;其中9月份當月完成產(chǎn)量8.0億自然只,,同比增長50.5%。鋰離子產(chǎn)品主營業(yè)務收入同比增長28.4%,,實現(xiàn)利潤總額同比增長81.4%,。汽車行業(yè)對鋰離子電池的需求日益擴大,信息化時代的到來更是加速了鋰離子電池的崛起,。
鋰離子電池的正極材料種類較多,,主要品種有鈷酸鋰、錳酸鋰,、鎳錳鈷三元材料及磷酸鐵鋰,。其中,磷酸鐵鋰具有另外兩種材料所不具備的循環(huán)壽命和材料成本方面的潛在優(yōu)勢(更高的安全性,、更長的使用壽命,、不含任何重金屬和稀有金屬、原材料成本低,、支持快速充電,、工作溫度范圍廣),被業(yè)界普遍看好,,代表著動力電池正極材料的未來發(fā)展方向,。
五、粉體設備的市場方向
不難發(fā)現(xiàn),,磷酸鐵鋰正極材料的制備工藝每個步驟都離不開粉體設備的參與,,這就為粉體設備的未來提供了一個全新的方向。
從石器時代到鐵器時代,,粉體設備無不扮演著重要的角色,。隨著粉體技術與設備的不斷提高與積累,粉體實現(xiàn)了從微顆粒,、超細化到納米化再到功能化與復合化的發(fā)展,。與此同時,面對能源日漸枯竭,、資源不斷減少,、環(huán)境嚴重污染的緊迫局面,對于粉體設備來說,,既是嚴峻的挑戰(zhàn),,又是發(fā)展的機遇,,粉體設備已擔負起重大的、長遠的責任,。
六,、涉及到的粉體設備廠商推薦匯總
細川密克朗(上海)粉體機械有限公司、北京瑞馳拓維科技有限公司,、廣東派勒智能納米科技股份有限公司,、沈陽飛機研究所粉體公司、四川巨子粉體設備有限公司,、四川極速動力超微粉體設備制造有限公司、四川豐能粉體設備有限公司,、綿陽流能粉體設備有限公司,、上海細創(chuàng)粉體裝備有限公司、密友集團有限公司,、浙江豐利粉碎設備有限公司,、昆山強威粉體設備有限公司、浙江力普粉碎設備有限公司,、宜興宏達通用設備有限公司,、廣州福滔微波設備有限公司、常州力馬干燥科技有限公司,、江蘇宇通干燥工程有限公司,、常州市和正干燥設備有限公司、常州新馬干燥工程有限公司,、常州市優(yōu)博干燥工程有限公司,、耐馳(上海)機械儀器有限公司、上海依肯機械設備有限公司,、川田機械製造(上海)有限公司,、上海申銀機械(集團)有限公司、東莞市利騰達機械有限公司,、上海弗魯克科技發(fā)展有限公司,、常州義邁機械制造有限公司、江蘇宇通干燥工程有限公司,、無錫天陽干燥設備有限公司,、漢瑞普澤粉粒體技術(上海)有限公司、上海威澤爾機械設備制造有限公司,、重慶帕泰克機械設備制造有限公司,、北京燕山中島包裝設備有限公司、無錫市麥杰機械工程有限公司,、常州力馬包裝科技有限公司,、咸陽鴻峰窯爐設備有限公司,、宜興邦世達爐業(yè)有限公司、咸陽藍光熱工科技有限公司,、鄭州嵩山工業(yè)窯爐有限公司……
(注:排名不分前后,,學識有限,如有遺漏,,敬請補充)