锂离子电池正极材料:原理,性能与生产工艺

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。

第1章锂离子电池概述

1.1电池概述2

1.2锂离子电池的发展史2

1.3锂离子电池的工作原理4

1.4锂离子电池正极材料6

1.4.1钴酸锂8

1.4.2镍酸锂8

1.4.3锰酸锂10

1.4.4磷酸铁锂10

1.5锂离子电池负极材料11

1.5.1石墨12

1.5.2焦炭12

1.5.3硬炭12

1.5.4中间相炭微球12

1.6锂离子电池电解液13

1.7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16

2.1.1热力学第一定律17

2.1.2热力学第二定律17

2.1.3吉布斯自由能18

2.2钴酸锂的热力学数据20

2.3钴酸锂的热力学计算20

2.4动力学的基本概念和定律23

2.4.1反应速率24

2.4.2影响反应速率的因素25

2.5反应机理26

2.6固相反应动力学模型27

2.7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32

3.1.1称重计量的原理32

3.1.2电子衡器的精度等级34

3.1.3称重计量装置的连接和信号传输35

3.1.4自动化生产线称重计量装置39

3.1.5计量装置安装调试中应注意的问题44

3.1.6自动化生产线配料流程45

3.2混合设备46

3.2.1搅拌球磨机46

3.2.2砂磨机47

3.2.3斜式混料机48

3.2.4高速混合机48

3.2.5高速旋风式混合机49

3.2.6机械融合精密混合机49

3.3干燥设备51

3.3.1真空回转干燥机51

3.3.2真空耙式干燥机53

3.3.3喷雾干燥机54

3.3.4真空带式干燥机57

3.4窑炉自动装卸料系统58

3.4.1钵的形式和在窑炉中的排列59

3.4.2炉窑装卸料过程的特点和要求60

3.4.3装料机械和卸料机械61

3.4.4自动移载、分配和排序65

3.4.5叠钵机和拆分机67

3.4.6积放夹钵器和阻挡器69

3.4.7高钵和低钵的自动检测70

3.4.8自动倒钵和清扫机72

3.5烧结设备74

3.5.1推板窑74

3.5.2辊道窑78

3.5.3钟罩炉82

3.6粉碎与分级设备86

3.6.1颚式破碎机86

3.6.2辊式破碎机86

3.6.3旋轮磨87

3.6.4高速机械冲击式粉碎机87

3.6.5气流粉碎机89

3.7合批设备92

3.7.1双螺旋锥形混合机92

3.7.2卧式螺带混合机93

3.8除铁设备93

3.9包装计量设备95

3.9.1锂离子电池材料包装计量设备的现状95

3.9.2锂离子电池材料包装计量设备的形式和种类95

3.9.3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106

4.1.1钴酸锂的结构106

4.1.2钴酸锂的电化学特征106

4.2钴酸锂的合成方法110

4.2.1固相法110

4.2.2软化学法111

4.3钴酸锂的改性112

4.3.1钴酸锂的掺杂112

4.3.2钴酸锂的表面包覆120

4.4生产钴酸锂的主要原料及标准122

4.4.1四氧化三钴122

4.4.2碳酸锂123

4.5钴酸锂生产工艺流程及工艺参数124

4.5.1计量配料与混合工序124

4.5.2烧结工序126

4.5.3粉碎分级工序128

4.5.4合批工序129

4.5.5除铁工序130

4.5.6包装工序130

4.6钴酸锂的产品标准130

4.7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137

5.1.1锰酸锂的结构137

5.1.2锰酸锂的电化学特征137

5.2锰酸锂的制备方法139

5.2.1固相法139

5.2.2软化学法140

5.3锰酸锂的改性141

5.3.1锰酸锂的掺杂143

5.3.2锰酸锂的表面包覆145

5.4生产锰酸锂的主要原料及标准149

5.4.1电解二氧化锰150

5.4.2化学二氧化锰153

5.4.3四氧化三锰154

5.4.4其他锰化合物155

5.5锰酸锂生产工艺流程及工艺参数155

5.5.1锰酸锂生产工艺流程156

5.5.2锰酸锂生产工艺参数157

5.6锰酸锂的产品标准159

5.7锰酸锂的种类与应用领域160

5.7.1层状LiMnO2160

5.7.2层状Li2MnO3161

5.7.3尖晶石结构Li4Mn5O12162

5.7.4尖晶石结构5V正极材料162

5.7.5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167

6.1.1镍钴锰酸锂的结构167

6.1.2镍钴锰酸锂的电化学特征171

6.2镍钴锰酸锂的合成方法174

6.2.1高温固相合成法175

6.2.2化学共沉淀法175

6.2.3溶胶-凝胶法176

6.3镍钴锰酸锂的改性177

6.3.1镍钴锰酸锂的掺杂177

6.3.2镍钴锰酸锂的表面包覆178

6.4生产三元材料的主要原料及标准181

6.5三元生产工艺流程及工艺参数184

6.5.1计量配料与混合工序184

6.5.2烧结工序185

6.5.3粉碎分级工序186

6.5.4合批工序186

6.5.5除铁工序186

6.5.6包装工序187

6.6三元材料的产品标准187

6.7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193

7.1.1镍钴铝酸锂的结构193

7.1.2镍钴铝酸锂的电化学特征196

7.2镍钴铝酸锂的合成方法202

7.2.1高温固相法202

7.2.2喷雾热分解法203

7.2.3溶胶-凝胶法203

7.2.4共沉淀法204

7.3镍钴铝酸锂的改性205

7.3.1离子掺杂改性206

7.3.2镍钴铝酸锂的表面包覆206

7.4生产镍钴铝酸锂材料的主要原料及标准209

7.4.1前驱体生产所用原料标准209

7.4.2材料烧结所用原料标准212

7.5镍钴铝酸锂生产工艺流程及工艺参数214

7.5.1前驱体生产工艺流程214

7.5.2NCA材料烧结工艺214

7.6镍钴铝酸锂的产品标准217

7.7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222

8.1.1磷酸盐材料的结构222

8.1.2磷酸盐材料的电化学特征227

8.2磷酸盐材料的合成方法236

8.2.1LiFePO4的合成方法236

8.2.2LiMnPO4的制备方法240

8.2.3LiMnyFe1-yPO4的制备方法243

8.3磷酸盐材料的改性247

8.3.1磷酸盐材料的掺杂247

8.3.2磷酸盐材料的表面包覆250

8.3.3磷酸盐材料的纳米化255

8.4生产磷酸盐材料的主要原料及标准257

8.5磷酸盐材料生产工艺流程及工艺参数258

8.5.1草酸亚铁路线259

8.5.2氧化铁红路线261

8.5.3磷酸铁路线263

8.5.4水热工艺路线266

8.6磷酸盐系材料的产品标准271

8.7磷酸盐材料的种类与应用领域272

8.7.1电动汽车用动力电池272

8.7.2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281

9.1.1富锂锰基固溶体材料的结构281

9.1.2富锂锰基固溶体材料的电化学特征282

9.2富锂锰基固溶体材料的合成方法284

9.2.1共沉淀法284

9.2.2固相法285

9.3富锂锰基固溶体材料的改性285

9.3.1富锂锰基固溶体材料的表面包覆285

9.3.2富锂锰基固溶体材料与锂受体型材料复合286

9.3.3富锂锰基固溶体材料的表面改性286

9.3.4富锂锰基固溶体材料的其他改性手段286

9.4生产富锂锰基固溶体材料的主要原料及标准286

9.5富锂锰基固溶体材料生产工艺流程及工艺参数287

9.5.1沉淀工艺的参数288

9.5.2烧结工艺的参数292

9.6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297

10.1.1钴酸锂的化学分析方法297

10.1.2镍钴锰酸锂的化学分析方法304

10.1.3锰酸锂的化学分析方法307

10.1.4镍钴铝酸锂的化学分析方法311

10.1.5磷酸铁锂的化学分析方法312

10.1.6微量单质铁的化学分析315

10.2正极材料的理化性能指标测试315

10.2.1粒度测试315

10.2.2比表面积测试316

10.2.3振实密度测试317

10.2.4XRD测试317

10.2.5扫描电镜测试318

10.2.6透射电镜测试319

10.2.7X射线光电子能谱测试319

10.2.8元素分布测试320

10.2.9X射线吸收谱测试320

10.3正极材料的电化学性能指标分析321

10.3.1容量测试321

10.3.2电压测试322

10.3.3循环测试323

10.3.4储存性能测试323

10.3.5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325

11.2正极材料发展的展望332

11.2.1高电压钴酸锂334

11.2.2高镍正极材料335

11.2.3高电压磷酸盐材料339

11.2.4高温型锰酸锂材料341

11.3未来正极材料的发展方向342

11.3.1多锂化合物正极材料342

11.3.2利用氧离子的氧化还原344

11.3.3锂硫电池345

11.3.4锂空气电池346

11.4工业4.0在锂离子电池材料中的应用与发展趋势347

11.4.1工业4.0简介347

11.4.2工业4.0在锂离子电池材料中的应用现状与发展趋势349

11.4.3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

一种正极活性材料及其制备方法、正极片及锂离子电池专利目的

《一种正极活性材料及其制备方法、正极片及锂离子电池》所要解决的技术问题是针对2015年6月之前的技术中锂离子电池能量密度低的问题，提供一种正极片。

一种正极活性材料及其制备方法、正极片及锂离子电池技术方案

《一种正极活性材料及其制备方法、正极片及锂离子电池》解决上述技术问题所采用的技术方案如下：提供一种正极活性材料，具有如下分子式：Li₄[NiMo₆O₂₄H₆]。

同时，该发明还提供了上述正极活性材料的制备方法，包括将Li₂MoO₄溶于去离子水中，然后加入Ni² 的盐溶液，并调节pH值为3-4进行反应，随后在60-80℃蒸发溶液，析出沉淀，经冷却、过滤得到所述正极活性材料。并且，该发明还提供了一种正极片，包括正极集流体和位于正极集流体上的正极材料，所述正极材料包括正极活性材料；所述正极活性材料为上述正极活性材料或者通过上述方法制备得到。另外，该发明还提供了采用上述正极片的锂离子电池，包括电池壳体以及设置于电池壳体内的电芯，所述电芯包括卷绕或层叠的正极片、隔膜和负极片；所述正极片为如前所述的正极片。

该发明提供的正极活性材料的分子为多面体构造，由六个八面体MoO₆围绕一个中心八面体NiO₆通过共价键结合为一个稳定的分子，其化学式为Li₄[NiMo₆O₂₄H₆]。

该发明所合成的化合物，可以作为锂离子电池正极材料使用。按Mo⁶ Mo³ 进行氧化还原反应，六个过渡金属离子Mo⁶ 全部还原为Mo³ 可以提供18个电子，因此该材料可发挥的理论克容量非常高，达到459毫安时每克^-1，约为传统正极材料如LiCoO₂、LiFePO₄等的三倍。

一种正极活性材料及其制备方法、正极片及锂离子电池改善效果

《一种正极活性材料及其制备方法、正极片及锂离子电池》提供的方法制备得到的Li₄[NiMo₆O₂₄H₆]的平均粒径非常小，达到600纳米以下，作为正极活性材料使用时，可更有效提高离子电导率，使其高理论克容量的优点得到充分利用，从而利于大大提高锂离子电池能量密度。