常见的锂电池正极材料有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料（NCM），三元材料具有较为平衡的成本、能量密度、循环及安全性能等优势，成为电动汽车、电动自行车等产品的主要选择，尤其在乘用车领域，装机量比重日渐增长。

三元材料的性能和成本主要取决于生产工艺和关键设备的选择，而与日韩一流企业相比，目前我国的生产工艺和装备水平差距较大，急需转型升级。

那么，三元材料制备过程中用到的关键设备有哪些呢？

三元材料的工业化生产

目前工业化生产三元材料采用的主流生产工艺为：共沉淀法制备前驱体，然后将其与锂源混合固相烧结制成三元材料。

具体工艺流程如下图：

三元材料工业化生产的主流工艺流程示意图

前驱体的制备关键设备

1. 反应釜

反应釜是前驱体反应的核心设备，其釜体大小、搅拌器形式、挡板数量及尺寸、有无导流筒、进料位置、有无增固装置等结构特征均会影响前驱体的密度、形貌、比表面积、结晶程度、粒度大小及分布等性能。

2. 过滤和洗涤设备

过滤和洗涤设备的作用是将反应得到的前驱体浆料实现固液分离，然后采用洗涤液对得到的前驱体滤饼进行洗涤，去除残留在滤饼中的硫酸根、氯根、钠离子等。

目前大多数前驱体厂家采用过滤洗涤一体化设备，主要有压滤机、离心机、微孔过滤机、过滤洗涤“二合一”设备等。

几种前驱体过滤洗涤设备对比

3. 干燥设备

干燥工序决定了前驱体成品的水分含量，并且对晶体结构有一定的影响，是一个重要工序，干燥设备能否正确选择直接关系到产品的质量、操作环境和生产成本。前驱体滤饼在空气中的干燥温度应小于150℃。当温度达到400℃时，前驱体会被氧化变成三价氧化物。

不同干燥温度下前驱体的总金属含量和比表面积

目前常用的前驱体干燥设备有热风循环烘箱、盘式干燥机、闪蒸干燥机、回转滚筒干燥机等。

几种前驱体干燥设备对比

三元材料的生产关键设备

1. 配混料设备

在三元材料生产中，配混料是将化学计量比的锂盐、前驱体、添加剂加入混合设备进行均匀混合，其均匀性会影响烧结过程中锂、添加剂的均匀性，直接影响三元材料的结晶程度和残碱量，最终体现在电性能上。

三元材料最终锂配比的稳定性取决于原材料称量的准确度，均匀性取决于混料机的混合效果。

混合一般分湿法混合和干法混合，三元材料通常采用干法混合。目前常用的三元材料混料设备有斜式混料机、高速混料机、V型混料机、犁刀飞刀混料机等。

几种三元材料混料设备对比

2. 烧结设备

烧结设备是三元材料制备的核心设备，主要指窑炉，其结构对三元材料的物理性能和电化学性能均有较大影响。目前三元材料工业化生产主要采用推板窑和辊道窑，其中尤以辊道窑使用最为广泛。

三元材料的烧结温度是最重要的工艺参数，可以影响材料的大部分性能，因此三元材料对窑炉温度的稳定性和精度要求较高，温控系统对三元材料的烧结至关重要。

推板窑和辊道窑对比

3. 粉碎设备

在三元材料生产中，由于烧结料颗粒之间有团聚和粘连现象，因此需要采用粉碎设备对烧结料进行解离，以此来控制粉体的粒度大小及其分布。粒度大小及其分布会影响三元材料的比表面积、振实密度、压实密度、加工性能和电化学性能等，对于三元材料的成品质量非常重要。

三元材料粉碎通常先将烧结料进行粗碎，再进行粉磨。粗碎设备一般采用鄂式破碎机或辊式破碎机；粉磨设备一般采用气流磨、机械磨、胶体磨，其中粉磨直接决定三元材料的粉碎程度，

几种三元材料粉磨设备对比

4. 除铁设备

三元材料的金属异物需要控制在几十ppb（1ppb=1×10^-9 m）级水平，金属异物过高会导致电池自放电率大，甚至影响到电池的安全性能。

三元材料的金属异物主要来源于原材料和生产过程中的设备磨损，并且主要以磁性金属杂质为主，尤其是金属铁。因此生产过程需要对成品进行除铁一次甚至多次，常用的除铁设备有电磁除铁器和永磁除铁器。

两种除铁设备对比

总结

锂电池产业的发展离不开材料品质的提升，目前整体上三元材料向高镍方向发展，而高镍三元材料对生产的工艺、装备、环境、气氛要求较高，生产线必须实现较高的自动化水平，尤其在生产车间的温湿度、气氛控制方面需加强。三元材料产业化设备将逐渐向智能化、大产能、低能耗、环境友好的方向发展，以此来满足动力电池对三元材料高性能、低成本的要求。

参考来源：

三元材料及其前驱体产业化关键设备的应用，宋顺林、刘亚飞、陈彦彬（北京当升材料科技股份有限公司、北京矿冶研究总院）

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