锂离子电池正极材料：原理、性能与生产工艺

本书是目前市场上首部详尽介绍锂离子电池正极材料生产技术的专业书籍。内容包括合成原理、材料结构与性能、生产工艺条件与流程、关键生产设备、原材料与产品标准。对生产一线技术人员具有很强的指导作用，对高校师生和研究机构的科研人员也具有重要参考价值。 

本书详细介绍了锂离子电池几种关键正极材料：钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰锂、磷酸锰铁锂和富锂锰基固溶体。主要内容包括这些电极材料的发展历史、结构特征、工作原理、生产工艺流程、主要设备的选型、原材料与产品标准和应用领域等。本书还包括锂离子电池的研究开发史、基本工作原理、有关的热力学和动力学计算、产品的检测评价以及未来发展趋势等。本书可作为锂离子电池正极材料研究领域的科研工作人员和工程技术人员的参考书，也可作为高等院校高年级学生和研究生的参考书。

胡国荣，主要从事电化学理论与应用、能源材料等方面的研究，在锂离子电池正极材料的产业化方面取得了突出成果，成功实现钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂的产业化。

第1章锂离子电池概述 1.1电池概述21.2锂离子电池的发展史21.3锂离子电池的工作原理41.4锂离子电池正极材料61.4.1钴酸锂81.4.2镍酸锂81.4.3锰酸锂101.4.4磷酸铁锂101.5锂离子电池负极材料111.5.1石墨121.5.2焦炭121.5.3硬炭121.5.4中间相炭微球121.6锂离子电池电解液131.7锂离子电池的发展趋势14参考文献14第2章高温固相合成反应的基本原理 2.1热力学的基本概念和定律162.1.1热力学第一定律172.1.2热力学第二定律172.1.3吉布斯自由能182.2钴酸锂的热力学数据202.3钴酸锂的热力学计算202.4动力学的基本概念和定律232.4.1反应速率242.4.2影响反应速率的因素252.5反应机理262.6固相反应动力学模型272.7钴酸锂的合成反应动力学计算29参考文献31第3章正极材料生产的关键设备 3.1计量与配料系统323.1.1称重计量的原理323.1.2电子衡器的精度等级343.1.3称重计量装置的连接和信号传输353.1.4自动化生产线称重计量装置393.1.5计量装置安装调试中应注意的问题443.1.6自动化生产线配料流程453.2混合设备463.2.1搅拌球磨机463.2.2砂磨机473.2.3斜式混料机483.2.4高速混合机483.2.5高速旋风式混合机493.2.6机械融合精密混合机493.3干燥设备513.3.1真空回转干燥机513.3.2真空耙式干燥机533.3.3喷雾干燥机543.3.4真空带式干燥机573.4窑炉自动装卸料系统583.4.1钵的形式和在窑炉中的排列593.4.2炉窑装卸料过程的特点和要求603.4.3装料机械和卸料机械613.4.4自动移载、分配和排序653.4.5叠钵机和拆分机673.4.6积放夹钵器和阻挡器693.4.7高钵和低钵的自动检测703.4.8自动倒钵和清扫机723.5烧结设备743.5.1推板窑743.5.2辊道窑783.5.3钟罩炉823.6粉碎与分级设备863.6.1颚式破碎机863.6.2辊式破碎机863.6.3旋轮磨873.6.4高速机械冲击式粉碎机873.6.5气流粉碎机893.7合批设备923.7.1双螺旋锥形混合机923.7.2卧式螺带混合机933.8除铁设备933.9包装计量设备953.9.1锂离子电池材料包装计量设备的现状953.9.2锂离子电池材料包装计量设备的形式和种类953.9.3自动化包装线上的配套设备100参考文献105第4章钴酸锂 4.1钴酸锂的结构与电化学特征1064.1.1钴酸锂的结构1064.1.2钴酸锂的电化学特征1064.2钴酸锂的合成方法1104.2.1固相法1104.2.2软化学法1114.3钴酸锂的改性1124.3.1钴酸锂的掺杂1124.3.2钴酸锂的表面包覆1204.4生产钴酸锂的主要原料及标准1224.4.1四氧化三钴1224.4.2碳酸锂1234.5钴酸锂生产工艺流程及工艺参数1244.5.1计量配料与混合工序1244.5.2烧结工序1264.5.3粉碎分级工序1284.5.4合批工序1294.5.5除铁工序1304.5.6包装工序1304.6钴酸锂的产品标准1304.7钴酸锂的种类与应用领域131参考文献133第5章锰酸锂5.1锰酸锂的结构与电化学特征1375.1.1锰酸锂的结构1375.1.2锰酸锂的电化学特征1375.2锰酸锂的制备方法1395.2.1固相法1395.2.2软化学法1405.3锰酸锂的改性1415.3.1锰酸锂的掺杂1435.3.2锰酸锂的表面包覆1455.4生产锰酸锂的主要原料及标准1495.4.1电解二氧化锰1505.4.2化学二氧化锰1535.4.3四氧化三锰1545.4.4其他锰化合物1555.5锰酸锂生产工艺流程及工艺参数1555.5.1锰酸锂生产工艺流程1565.5.2锰酸锂生产工艺参数1575.6锰酸锂的产品标准1595.7锰酸锂的种类与应用领域1605.7.1层状LiMnO21605.7.2层状Li2MnO31615.7.3尖晶石结构Li4Mn5O121625.7.4尖晶石结构5V正极材料1625.7.5锰酸锂的应用领域163参考文献164第6章镍钴锰酸锂(NCM)三元材料 6.1镍钴锰酸锂的结构与电化学特征1676.1.1镍钴锰酸锂的结构1676.1.2镍钴锰酸锂的电化学特征1716.2镍钴锰酸锂的合成方法1746.2.1高温固相合成法1756.2.2化学共沉淀法1756.2.3溶胶-凝胶法1766.3镍钴锰酸锂的改性1776.3.1镍钴锰酸锂的掺杂1776.3.2镍钴锰酸锂的表面包覆1786.4生产三元材料的主要原料及标准1816.5三元生产工艺流程及工艺参数1846.5.1计量配料与混合工序1846.5.2烧结工序1856.5.3粉碎分级工序1866.5.4合批工序1866.5.5除铁工序1866.5.6包装工序1876.6三元材料的产品标准1876.7镍钴锰酸锂三元材料的种类与应用领域189参考文献190第7章镍钴铝酸锂（NCA)材料 7.1镍钴铝酸锂的结构与电化学特征1937.1.1镍钴铝酸锂的结构1937.1.2镍钴铝酸锂的电化学特征1967.2镍钴铝酸锂的合成方法2027.2.1高温固相法2027.2.2喷雾热分解法2037.2.3溶胶-凝胶法2037.2.4共沉淀法2047.3镍钴铝酸锂的改性2057.3.1离子掺杂改性2067.3.2镍钴铝酸锂的表面包覆2067.4生产镍钴铝酸锂材料的主要原料及标准2097.4.1前驱体生产所用原料标准2097.4.2材料烧结所用原料标准2127.5镍钴铝酸锂生产工艺流程及工艺参数2147.5.1前驱体生产工艺流程2147.5.2NCA材料烧结工艺2147.6镍钴铝酸锂的产品标准2177.7镍钴铝酸锂材料的种类与应用领域218参考文献220第8章磷酸盐材料 8.1磷酸盐材料的结构与电化学特征2228.1.1磷酸盐材料的结构2228.1.2磷酸盐材料的电化学特征2278.2磷酸盐材料的合成方法2368.2.1LiFePO4的合成方法2368.2.2LiMnPO4的制备方法2408.2.3LiMnyFe1-yPO4的制备方法2438.3磷酸盐材料的改性2478.3.1磷酸盐材料的掺杂2478.3.2磷酸盐材料的表面包覆2508.3.3磷酸盐材料的纳米化2558.4生产磷酸盐材料的主要原料及标准2578.5磷酸盐材料生产工艺流程及工艺参数2588.5.1草酸亚铁路线2598.5.2氧化铁红路线2618.5.3磷酸铁路线2638.5.4水热工艺路线2668.6磷酸盐系材料的产品标准2718.7磷酸盐材料的种类与应用领域2728.7.1电动汽车用动力电池2728.7.2储能电池273参考文献275第9章富锂锰基固溶体材料及其生产工艺 9.1富锂锰基固溶体材料的结构与电化学特征2819.1.1富锂锰基固溶体材料的结构2819.1.2富锂锰基固溶体材料的电化学特征2829.2富锂锰基固溶体材料的合成方法2849.2.1共沉淀法2849.2.2固相法2859.3富锂锰基固溶体材料的改性2859.3.1富锂锰基固溶体材料的表面包覆2859.3.2富锂锰基固溶体材料与锂受体型材料复合2869.3.3富锂锰基固溶体材料的表面改性2869.3.4富锂锰基固溶体材料的其他改性手段2869.4生产富锂锰基固溶体材料的主要原料及标准2869.5富锂锰基固溶体材料生产工艺流程及工艺参数2879.5.1沉淀工艺的参数2889.5.2烧结工艺的参数2929.6富锂锰基固溶体材料的应用领域294参考文献294第10章锂离子电池正极材料的测试方法 10.1正极材料的化学成分分析29710.1.1钴酸锂的化学分析方法29710.1.2镍钴锰酸锂的化学分析方法30410.1.3锰酸锂的化学分析方法30710.1.4镍钴铝酸锂的化学分析方法31110.1.5磷酸铁锂的化学分析方法31210.1.6微量单质铁的化学分析31510.2正极材料的理化性能指标测试31510.2.1粒度测试31510.2.2比表面积测试31610.2.3振实密度测试31710.2.4XRD测试31710.2.5扫描电镜测试31810.2.6透射电镜测试31910.2.7X射线光电子能谱测试31910.2.8元素分布测试32010.2.9X射线吸收谱测试32010.3正极材料的电化学性能指标分析32110.3.1容量测试32110.3.2电压测试32210.3.3循环测试32310.3.4储存性能测试32310.3.5倍率测试324参考文献324第11章锂离子电池正极材料展望 11.1动力锂离子电池正极材料技术路线之争32511.2正极材料发展的展望33211.2.1高电压钴酸锂33411.2.2高镍正极材料33511.2.3高电压磷酸盐材料33911.2.4高温型锰酸锂材料34111.3未来正极材料的发展方向34211.3.1多锂化合物正极材料34211.3.2利用氧离子的氧化还原34411.3.3锂硫电池34511.3.4锂空气电池34611.4工业4.0在锂离子电池材料中的应用与发展趋势34711.4.1工业4.0简介34711.4.2工业4.0在锂离子电池材料中的应用现状与发展趋势34911.4.3锂离子电池材料制造工业4.0未来发展路线图351参考文献353索引355

锂离子电池是目前能量密度最高的最新一代二次电池，广泛应用于移动通信和数码科技，近年来也广泛应用于新能源汽车和储能领域，未来对锂离子电池及其材料的需求难以估量。正极材料是锂离子电池的核心关键材料，我国是锂离子电池正极材料生产大国，有些材料品种如磷酸铁锂、钴酸锂、三元系材料的产量已居世界首位，但生产技术水平及产品质量与日韩等锂离子电池生产强国相比还有较大差距。我国科技工作者有责任和义务为我国锂离子电池及其材料生产企业提供技术支持与指导，特别是为广大从事锂离子电池及其材料生产的技术人员编写可用于指导实际生产且通俗易懂的专业书籍。本书作者根据自己在高校从事锂离子电池正极材料研究的成果与在企业任职期间积累的丰富生产实践经验，系统总结了正极材料合成的理论基础，如材料合成的热力学分析、反应动力学模型，材料结构与性能之间的关系，材料性能与电池制造之间的关系。在生产实践方面，对原材料选择与标准建立、生产工艺流程优化、生产设备选型与设计、产品性能表征与标准建立、产品应用分析等方面进行了系统分析与总结，在正极材料产品研发与生产之间架起了一座桥梁，使研发人员能面向生产和市场，即研发成果能转换成产品和商品，从而实现科研成果向生产力的转换；对生产一线的技术与管理人员而言，本书的内容能加深他们对产品生产工艺与质量管理的理解与控制，为企业生产线设计、技术改造、产品研发、市场推广提供指导。本书由胡国荣教授担任主编，并与杜柯副教授和彭忠东副教授合作编写，其中胡国荣编写第3、4、6、7、8、10、11章，杜柯编写第1、2、9章，彭忠东编写第5章。胡国荣教授团队的曹雁冰博士、曹景超博士、段建国博士、梁龙伟博士协助编写了部分章节。此外,本书编写过程中也得到了许多企业的支持：江苏南大紫金锂电智能装备有限公司的总经理虞兰剑高级工程师、杨济航高级工程师和陈玉工程师协助编写了第3.1、3.4、11.4节，湖南新天力科技有限公司的匡万兵总经理、谭峻峰总工程师协助编写了第3.5节，湖南蒙达新能源材料有限公司化验室主任胡杏梅女士协助编写了第10.1节，湖南瑞翔新材料股份有限公司的副总经理张新龙博士协助编写了第4.3节，广东TCL金能电池有限公司研发部经理佟健工程师协助编写了第10.3节。本书在编写过程中得到了中南大学冶金与环境学院、国家科学技术学术著作出版基金、化学工业出版社的大力支持，同时得到了中南大学刘业翔院士的支持与鼓励，也得到了中国科学院物理研究所陈立泉院士的指导与支持。本书编写过程中，四川浩普瑞新能源材料股份有限公司、广州锂宝新材料有限公司、江苏先锋干燥工程有限公司、江苏宜兴市宏达通用设备有限公司、湖南清河重工机械有限公司、江苏张家港市日新机电有限公司等众多企业为本书提供了许多有用的素材，在此一并表示感谢！由于编者水平有限，时间仓促，书中不妥之处在所难免，敬请广大读者批评指正。