磷酸鐵鋰由2019年諾貝爾化學獎獲得者John.B. Goodenough教授于1997年首次發現后,經過科學界、產業界20多年的不解努力,已經成為當下最主流的鋰離子電池正極材料之一,被廣泛應用于動力電池和儲能領域。2023年實際出貨量已經達到160萬噸的規模,在整個國內的正極材料市場滲透率接近70%。
當下磷酸鐵鋰生產工藝已經非常成熟,細分起來主要有液相法、固相法兩種。液相法則具有物相均勻、粒徑分布窄等優點,但是工藝稍復雜,規模化生產難度大,同時面臨的安全、環保壓力比較大;固相法具有工藝簡單、易于規模化生產,同時產品壓實密度高,電性能優良,是目前最主流的生產路線。
當前最成熟的固相法工藝:
主要原材料:磷酸鐵、碳酸鋰、葡萄糖;
主要設備:砂磨機、噴霧干燥塔、輥道窯、氣流粉碎磨;
核心工藝步驟:原材料經砂磨機納米分散后,進入噴霧干燥塔除水造粒,然后進入輥道窯高溫燒結,最后經氣流粉碎磨粉碎到一定粒度后過篩包裝得到成品。詳細步驟如下:
該工藝設備成熟度高、自動化程度高,產品性能穩定可靠,已經經過市場充分驗證,為絕大多數磷酸鐵鋰廠家使用。
但是細究起來尤其相比于錳酸鋰、鈷酸鋰等傳統鋰電正極材料,仍然存在工藝復雜,高能耗環節多、生產效率低等缺點。
以錳酸鋰生產工藝為例:
原材料:EMD、碳酸鋰
主要設備:混料機、輥道窯、機械磨
核心工藝步驟:原材料經混料機混合后,進入輥道窯高溫燒結,然后機械磨粉碎到一定粒度后過篩包裝得到成品。主要工藝步驟如下示:
由上可以看出,相比而言,磷酸鐵鋰相比于錳酸鋰工藝步驟多出砂磨、噴霧造粒二步,帶來的問題是:生產效率低、高能耗步驟多,高價值設備多,固定資產投入大,投資收益率也相對降低。
鋰電正極材料作為一個大類,目前商業化成熟的主要鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰四種。除磷酸鐵鋰外,其余三種都遵循簡單的干法混料再燒結這樣一個簡單的合成路線。而鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料也都是經過多年的市場充分驗證,無論從產品性能還是穩定性、一致性上都沒有問題,因此完全有理由認為磷酸鐵鋰也不應該例外。由此我們推斷當下砂磨+噴霧的這么一套主流工藝可能不是最優技術路線,或者說不是最終的技術路線。
據了解,江蘇優安時電池材料有限公司的吳雪峰團隊采用了一種自研的干法混合設備,摒棄砂磨機、噴霧干燥塔、氣流粉碎磨等高耗能、高價值設備,在業內首次實現了全干法的磷酸鐵鋰生產路線。該技術參考了錳酸鋰的生產工藝:把原材料進行簡單干法混合后直接燒結,而后進行機械破碎,最后過篩包裝。
該工藝單噸磷酸鐵鋰生產能耗可控制在1200度電左右,相比于現有主流生產工藝的5000度電,單噸能耗降低了70%以上。并且每萬噸建設投入由1億左右降低到3000萬左右。產品性能上相比于現有市場上的產品也毫不遜色,極片壓實最大可超過2.7g/cm3,克容量可達到160mAh/g左右。
江蘇優安時目前已經建立了年產5000噸的產線,并實現批量生產和銷售,初步驗證了前文中的推斷,磷酸鐵鋰生產工藝存在更優技術路線。時代車輪滾滾向前,技術進步永不停歇。市場永遠需要更高效、節能的技術,更質優、價廉的產品。再整個新能源行業內卷到極致的情況下,下一代的磷酸鐵鋰生產技術呼之欲出。
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