鋰離子電池正極材料:原理,性能與生產(chǎn)工藝

本書詳細(xì)介紹了鋰離子電池幾種關(guān)鍵正極材料：鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰、磷酸鐵鋰、磷酸錳鋰、磷酸錳鐵鋰和富鋰錳基固溶體。主要內(nèi)容包括這些電極材料的發(fā)展歷史、結(jié)構(gòu)特征、工作原理、生產(chǎn)工藝流程、主要設(shè)備的選型、原材料與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用領(lǐng)域等。本書還包括鋰離子電池的研究開發(fā)史、基本工作原理、有關(guān)的熱力學(xué)和動力學(xué)計(jì)算、產(chǎn)品的檢測評價(jià)以及未來發(fā)展趨勢等。

本書可作為鋰離子電池正極材料研究領(lǐng)域的科研工作人員和工程技術(shù)人員的參考書，也可作為高等院校高年級學(xué)生和研究生的參考書。

第1章鋰離子電池概述

1.1電池概述2

1.2鋰離子電池的發(fā)展史2

1.3鋰離子電池的工作原理4

1.4鋰離子電池正極材料6

1.4.1鈷酸鋰8

1.4.2鎳酸鋰8

1.4.3錳酸鋰10

1.4.4磷酸鐵鋰10

1.5鋰離子電池負(fù)極材料11

1.5.1石墨12

1.5.2焦炭12

1.5.3硬炭12

1.5.4中間相炭微球12

1.6鋰離子電池電解液13

1.7鋰離子電池的發(fā)展趨勢14

參考文獻(xiàn)14

第2章高溫固相合成反應(yīng)的基本原理

2.1熱力學(xué)的基本概念和定律16

2.1.1熱力學(xué)第一定律17

2.1.2熱力學(xué)第二定律17

2.1.3吉布斯自由能18

2.2鈷酸鋰的熱力學(xué)數(shù)據(jù)20

2.3鈷酸鋰的熱力學(xué)計(jì)算20

2.4動力學(xué)的基本概念和定律23

2.4.1反應(yīng)速率24

2.4.2影響反應(yīng)速率的因素25

2.5反應(yīng)機(jī)理26

2.6固相反應(yīng)動力學(xué)模型27

2.7鈷酸鋰的合成反應(yīng)動力學(xué)計(jì)算29

參考文獻(xiàn)31

第3章正極材料生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備

3.1計(jì)量與配料系統(tǒng)32

3.1.1稱重計(jì)量的原理32

3.1.2電子衡器的精度等級34

3.1.3稱重計(jì)量裝置的連接和信號傳輸35

3.1.4自動化生產(chǎn)線稱重計(jì)量裝置39

3.1.5計(jì)量裝置安裝調(diào)試中應(yīng)注意的問題44

3.1.6自動化生產(chǎn)線配料流程45

3.2混合設(shè)備46

3.2.1攪拌球磨機(jī)46

3.2.2砂磨機(jī)47

3.2.3斜式混料機(jī)48

3.2.4高速混合機(jī)48

3.2.5高速旋風(fēng)式混合機(jī)49

3.2.6機(jī)械融合精密混合機(jī)49

3.3干燥設(shè)備51

3.3.1真空回轉(zhuǎn)干燥機(jī)51

3.3.2真空耙式干燥機(jī)53

3.3.3噴霧干燥機(jī)54

3.3.4真空帶式干燥機(jī)57

3.4窯爐自動裝卸料系統(tǒng)58

3.4.1缽的形式和在窯爐中的排列59

3.4.2爐窯裝卸料過程的特點(diǎn)和要求60

3.4.3裝料機(jī)械和卸料機(jī)械61

3.4.4自動移載、分配和排序65

3.4.5疊缽機(jī)和拆分機(jī)67

3.4.6積放夾缽器和阻擋器69

3.4.7高缽和低缽的自動檢測70

3.4.8自動倒缽和清掃機(jī)72

3.5燒結(jié)設(shè)備74

3.5.1推板窯74

3.5.2輥道窯78

3.5.3鐘罩爐82

3.6粉碎與分級設(shè)備86

3.6.1顎式破碎機(jī)86

3.6.2輥式破碎機(jī)86

3.6.3旋輪磨87

3.6.4高速機(jī)械沖擊式粉碎機(jī)87

3.6.5氣流粉碎機(jī)89

3.7合批設(shè)備92

3.7.1雙螺旋錐形混合機(jī)92

3.7.2臥式螺帶混合機(jī)93

3.8除鐵設(shè)備93

3.9包裝計(jì)量設(shè)備95

3.9.1鋰離子電池材料包裝計(jì)量設(shè)備的現(xiàn)狀95

3.9.2鋰離子電池材料包裝計(jì)量設(shè)備的形式和種類95

3.9.3自動化包裝線上的配套設(shè)備100

參考文獻(xiàn)105

第4章鈷酸鋰

4.1鈷酸鋰的結(jié)構(gòu)與電化學(xué)特征106

4.1.1鈷酸鋰的結(jié)構(gòu)106

4.1.2鈷酸鋰的電化學(xué)特征106

4.2鈷酸鋰的合成方法110

4.2.1固相法110

4.2.2軟化學(xué)法111

4.3鈷酸鋰的改性112

4.3.1鈷酸鋰的摻雜112

4.3.2鈷酸鋰的表面包覆120

4.4生產(chǎn)鈷酸鋰的主要原料及標(biāo)準(zhǔn)122

4.4.1四氧化三鈷122

4.4.2碳酸鋰123

4.5鈷酸鋰生產(chǎn)工藝流程及工藝參數(shù)124

4.5.1計(jì)量配料與混合工序124

4.5.2燒結(jié)工序126

4.5.3粉碎分級工序128

4.5.4合批工序129

4.5.5除鐵工序130

4.5.6包裝工序130

4.6鈷酸鋰的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)130

4.7鈷酸鋰的種類與應(yīng)用領(lǐng)域131

參考文獻(xiàn)133

第5章錳酸鋰

5.1錳酸鋰的結(jié)構(gòu)與電化學(xué)特征137

5.1.1錳酸鋰的結(jié)構(gòu)137

5.1.2錳酸鋰的電化學(xué)特征137

5.2錳酸鋰的制備方法139

5.2.1固相法139

5.2.2軟化學(xué)法140

5.3錳酸鋰的改性141

5.3.1錳酸鋰的摻雜143

5.3.2錳酸鋰的表面包覆145

5.4生產(chǎn)錳酸鋰的主要原料及標(biāo)準(zhǔn)149

5.4.1電解二氧化錳150

5.4.2化學(xué)二氧化錳153

5.4.3四氧化三錳154

5.4.4其他錳化合物155

5.5錳酸鋰生產(chǎn)工藝流程及工藝參數(shù)155

5.5.1錳酸鋰生產(chǎn)工藝流程156

5.5.2錳酸鋰生產(chǎn)工藝參數(shù)157

5.6錳酸鋰的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)159

5.7錳酸鋰的種類與應(yīng)用領(lǐng)域160

5.7.1層狀LiMnO2160

5.7.2層狀Li2MnO3161

5.7.3尖晶石結(jié)構(gòu)Li4Mn5O12162

5.7.4尖晶石結(jié)構(gòu)5V正極材料162

5.7.5錳酸鋰的應(yīng)用領(lǐng)域163

參考文獻(xiàn)164

第6章鎳鈷錳酸鋰（NCM)三元材料

6.1鎳鈷錳酸鋰的結(jié)構(gòu)與電化學(xué)特征167

6.1.1鎳鈷錳酸鋰的結(jié)構(gòu)167

6.1.2鎳鈷錳酸鋰的電化學(xué)特征171

6.2鎳鈷錳酸鋰的合成方法174

6.2.1高溫固相合成法175

6.2.2化學(xué)共沉淀法175

6.2.3溶膠-凝膠法176

6.3鎳鈷錳酸鋰的改性177

6.3.1鎳鈷錳酸鋰的摻雜177

6.3.2鎳鈷錳酸鋰的表面包覆178

6.4生產(chǎn)三元材料的主要原料及標(biāo)準(zhǔn)181

6.5三元生產(chǎn)工藝流程及工藝參數(shù)184

6.5.1計(jì)量配料與混合工序184

6.5.2燒結(jié)工序185

6.5.3粉碎分級工序186

6.5.4合批工序186

6.5.5除鐵工序186

6.5.6包裝工序187

6.6三元材料的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)187

6.7鎳鈷錳酸鋰三元材料的種類與應(yīng)用領(lǐng)域189

參考文獻(xiàn)190

第7章鎳鈷鋁酸鋰（NCA)材料

7.1鎳鈷鋁酸鋰的結(jié)構(gòu)與電化學(xué)特征193

7.1.1鎳鈷鋁酸鋰的結(jié)構(gòu)193

7.1.2鎳鈷鋁酸鋰的電化學(xué)特征196

7.2鎳鈷鋁酸鋰的合成方法202

7.2.1高溫固相法202

7.2.2噴霧熱分解法203

7.2.3溶膠-凝膠法203

7.2.4共沉淀法204

7.3鎳鈷鋁酸鋰的改性205

7.3.1離子摻雜改性206

7.3.2鎳鈷鋁酸鋰的表面包覆206

7.4生產(chǎn)鎳鈷鋁酸鋰材料的主要原料及標(biāo)準(zhǔn)209

7.4.1前驅(qū)體生產(chǎn)所用原料標(biāo)準(zhǔn)209

7.4.2材料燒結(jié)所用原料標(biāo)準(zhǔn)212

7.5鎳鈷鋁酸鋰生產(chǎn)工藝流程及工藝參數(shù)214

7.5.1前驅(qū)體生產(chǎn)工藝流程214

7.5.2NCA材料燒結(jié)工藝214

7.6鎳鈷鋁酸鋰的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)217

7.7鎳鈷鋁酸鋰材料的種類與應(yīng)用領(lǐng)域218

參考文獻(xiàn)220

第8章磷酸鹽材料

8.1磷酸鹽材料的結(jié)構(gòu)與電化學(xué)特征222

8.1.1磷酸鹽材料的結(jié)構(gòu)222

8.1.2磷酸鹽材料的電化學(xué)特征227

8.2磷酸鹽材料的合成方法236

8.2.1LiFePO4的合成方法236

8.2.2LiMnPO4的制備方法240

8.2.3LiMnyFe1-yPO4的制備方法243

8.3磷酸鹽材料的改性247

8.3.1磷酸鹽材料的摻雜247

8.3.2磷酸鹽材料的表面包覆250

8.3.3磷酸鹽材料的納米化255

8.4生產(chǎn)磷酸鹽材料的主要原料及標(biāo)準(zhǔn)257

8.5磷酸鹽材料生產(chǎn)工藝流程及工藝參數(shù)258

8.5.1草酸亞鐵路線259

8.5.2氧化鐵紅路線261

8.5.3磷酸鐵路線263

8.5.4水熱工藝路線266

8.6磷酸鹽系材料的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)271

8.7磷酸鹽材料的種類與應(yīng)用領(lǐng)域272

8.7.1電動汽車用動力電池272

8.7.2儲能電池273

參考文獻(xiàn)275

第9章富鋰錳基固溶體材料及其生產(chǎn)工藝

9.1富鋰錳基固溶體材料的結(jié)構(gòu)與電化學(xué)特征281

9.1.1富鋰錳基固溶體材料的結(jié)構(gòu)281

9.1.2富鋰錳基固溶體材料的電化學(xué)特征282

9.2富鋰錳基固溶體材料的合成方法284

9.2.1共沉淀法284

9.2.2固相法285

9.3富鋰錳基固溶體材料的改性285

9.3.1富鋰錳基固溶體材料的表面包覆285

9.3.2富鋰錳基固溶體材料與鋰受體型材料復(fù)合286

9.3.3富鋰錳基固溶體材料的表面改性286

9.3.4富鋰錳基固溶體材料的其他改性手段286

9.4生產(chǎn)富鋰錳基固溶體材料的主要原料及標(biāo)準(zhǔn)286

9.5富鋰錳基固溶體材料生產(chǎn)工藝流程及工藝參數(shù)287

9.5.1沉淀工藝的參數(shù)288

9.5.2燒結(jié)工藝的參數(shù)292

9.6富鋰錳基固溶體材料的應(yīng)用領(lǐng)域294

參考文獻(xiàn)294

第10章鋰離子電池正極材料的測試方法

10.1正極材料的化學(xué)成分分析297

10.1.1鈷酸鋰的化學(xué)分析方法297

10.1.2鎳鈷錳酸鋰的化學(xué)分析方法304

10.1.3錳酸鋰的化學(xué)分析方法307

10.1.4鎳鈷鋁酸鋰的化學(xué)分析方法311

10.1.5磷酸鐵鋰的化學(xué)分析方法312

10.1.6微量單質(zhì)鐵的化學(xué)分析315

10.2正極材料的理化性能指標(biāo)測試315

10.2.1粒度測試315

10.2.2比表面積測試316

10.2.3振實(shí)密度測試317

10.2.4XRD測試317

10.2.5掃描電鏡測試318

10.2.6透射電鏡測試319

10.2.7X射線光電子能譜測試319

10.2.8元素分布測試320

10.2.9X射線吸收譜測試320

10.3正極材料的電化學(xué)性能指標(biāo)分析321

10.3.1容量測試321

10.3.2電壓測試322

10.3.3循環(huán)測試323

10.3.4儲存性能測試323

10.3.5倍率測試324

參考文獻(xiàn)324

第11章鋰離子電池正極材料展望

11.1動力鋰離子電池正極材料技術(shù)路線之爭325

11.2正極材料發(fā)展的展望332

11.2.1高電壓鈷酸鋰334

11.2.2高鎳正極材料335

11.2.3高電壓磷酸鹽材料339

11.2.4高溫型錳酸鋰材料341

11.3未來正極材料的發(fā)展方向342

11.3.1多鋰化合物正極材料342

11.3.2利用氧離子的氧化還原344

11.3.3鋰硫電池345

11.3.4鋰空氣電池346

11.4工業(yè)4.0在鋰離子電池材料中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢347

11.4.1工業(yè)4.0簡介347

11.4.2工業(yè)4.0在鋰離子電池材料中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢349

11.4.3鋰離子電池材料制造工業(yè)4.0未來發(fā)展路線圖351

參考文獻(xiàn)353

索引355

一種正極活性材料及其制備方法、正極片及鋰離子電池專利目的

《一種正極活性材料及其制備方法、正極片及鋰離子電池》所要解決的技術(shù)問題是針對2015年6月之前的技術(shù)中鋰離子電池能量密度低的問題，提供一種正極片。

一種正極活性材料及其制備方法、正極片及鋰離子電池技術(shù)方案

《一種正極活性材料及其制備方法、正極片及鋰離子電池》解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：提供一種正極活性材料，具有如下分子式：Li₄[NiMo₆O₂₄H₆]。

同時(shí)，該發(fā)明還提供了上述正極活性材料的制備方法，包括將Li₂MoO₄溶于去離子水中，然后加入Ni² 的鹽溶液，并調(diào)節(jié)pH值為3-4進(jìn)行反應(yīng)，隨后在60-80℃蒸發(fā)溶液，析出沉淀，經(jīng)冷卻、過濾得到所述正極活性材料。并且，該發(fā)明還提供了一種正極片，包括正極集流體和位于正極集流體上的正極材料，所述正極材料包括正極活性材料；所述正極活性材料為上述正極活性材料或者通過上述方法制備得到。另外，該發(fā)明還提供了采用上述正極片的鋰離子電池，包括電池殼體以及設(shè)置于電池殼體內(nèi)的電芯，所述電芯包括卷繞或?qū)盈B的正極片、隔膜和負(fù)極片；所述正極片為如前所述的正極片。

該發(fā)明提供的正極活性材料的分子為多面體構(gòu)造，由六個(gè)八面體MoO₆圍繞一個(gè)中心八面體NiO₆通過共價(jià)鍵結(jié)合為一個(gè)穩(wěn)定的分子，其化學(xué)式為Li₄[NiMo₆O₂₄H₆]。

該發(fā)明所合成的化合物，可以作為鋰離子電池正極材料使用。按Mo⁶ Mo³ 進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，六個(gè)過渡金屬離子Mo⁶ 全部還原為Mo³ 可以提供18個(gè)電子，因此該材料可發(fā)揮的理論克容量非常高，達(dá)到459毫安時(shí)每克^-1，約為傳統(tǒng)正極材料如LiCoO₂、LiFePO₄等的三倍。

一種正極活性材料及其制備方法、正極片及鋰離子電池改善效果

《一種正極活性材料及其制備方法、正極片及鋰離子電池》提供的方法制備得到的Li₄[NiMo₆O₂₄H₆]的平均粒徑非常小，達(dá)到600納米以下，作為正極活性材料使用時(shí)，可更有效提高離子電導(dǎo)率，使其高理論克容量的優(yōu)點(diǎn)得到充分利用，從而利于大大提高鋰離子電池能量密度。