锂离子电池三元材料 工艺技术及生产应用 王伟东 仇卫华 丁倩倩等编著
《锂离子电池三元材料—工艺技术及生产应用》是国内第一条自主设计制造的锂电池三元材料生产线、国内首家三元材料企业十年来专注于三元材料产业化的成果总结。
本书将实际经验与合成理论相结合，总结了三元材料制造各个环节的基本原理和工艺特点，并对三元材料的市场前景进行了详细分析。具体内容包括三元材料的特点、三元材料合成理论和研发方向；三元材料相关金属资源；三元材料前驱体制备、成品煅烧和粉体制备；三元材料关键技术指标控制优化；三元材料检测方法；三元材料应用技术、应用领域、市场前景和专利分析。
《锂离子电池三元材料—工艺技术及生产应用》既有丰富具体的实践内容，又有相适应的理论分析，是从事新能源汽车、锂离子电池、锂离子电池正极材料以及正极材料相关原材料和矿产资源投资开发、行业研究人员的重要参考书；更是从事正极材料产品研发、设计、生产、销售的技术人员、管理人员、教学人员、分析检测人员、相关研究生和本科生的工具书。
1 概述
1.1 锂离子电池工作原理及基本组成 / 001
1.1.1 锂离子电池工作原理 / 001
1.1.2 锂离子电池组成 / 002
1.2 相关术语 / 006
1.2.1 电池的电压 / 006
1.2.2 电池的容量和比容量 / 007
1.2.3 电池的能量和比能量 / 008
1.2.4 电池的功率和比功率 / 009
1.2.5 充放电速率 / 010
1.2.6 放电深度 / 010
1.2.7 库仑效率 / 010
1.2.8 电池内阻 / 010
1.2.9 电池寿命 / 010
参考文献 / 011
2 锂离子电池正极材料简介
2.1 层状正极材料 / 014
2.1.1 LiCoO2正极材料 / 014
2.1.2 LiNiO2正极材料 / 020
2.1.3 层状LiMnO2材料 / 026
2.2 高容量富锂材料 / 028
2.2.1 富锂材料的结构特征 / 029
2.2.2 富锂材料的电化学性能 / 030
2.2.3 富锂材料存在问题及其改性 / 031
2.2.4 富锂材料的研发方向 / 033
2.3 尖晶石锰酸锂 / 035
2.3.1 4V尖晶石锰酸锂 / 035
2.3.2 5V尖晶石镍锰酸锂 / 039
2.4 聚阴离子正极材料 / 043
2.4.1 LiMPO4（M=Fe，Mn）材料 / 043
2.4.2 Li3V2(PO4)3材料 / 048
2.4.3 LiVPO4F材料 / 050
2.4.4 硅酸盐类材料 / 051
参考文献 / 058
3 三元正极材料的性能
3.1 三元正极材料的结构及电化学性能 / 068
3.1.1 三元材料的结构 / 068
3.1.2 三元材料的电化学性能 / 070
3.2 三元材料存在问题及改性 / 076
3.2.1 三元材料存在的问题 / 076
3.2.2 三元材料的改性 / 079
3.3 三元材料研发方向 / 086
3.3.1 高容量三元材料（NCA）的研究 / 087
3.3.2 高功率三元材料的研究 / 090
3.3.3 合成方法的改进 / 091
3.3.4 与三元材料匹配的电解液添加剂的研究 / 093
参考文献 / 095
4 三元材料的应用领域和市场预测
4.1 全球二次电池产能及消耗 / 099
4.2 锂离子电池应用领域及市场分析 / 100
4.3 锂离子电池常见类型 / 101
4.4 三元材料应用和市场预测 / 103
4.4.1 3C数码 / 103
4.4.2 移动电源 / 105
4.4.3 电动工具 / 106
4.4.4 电动自行车 / 108
4.4.5 电动汽车 / 109
4.4.6 通信 / 116
4.4.7 储能 / 118
4.4.8 电子烟 / 120
4.4.9 可穿戴 / 121
4.5 三元材料的应用实例 / 122
4.5.1 倍率型18650圆柱电池 / 122
4.5.2 能量型18650圆柱电池 / 123
4.5.3 10A·h和20A·h动力软包电池 / 124
4.5.4 三元材料电池组在电动汽车上的应用 / 125
4.5.5 三元材料电池组在电动大巴上的应用 / 126
参考文献 / 128
5 三元材料相关金属资源
5.1 全球锂离子电池正极材料对金属资源的消耗 / 129
5.2 金属价格波动对三元材料成本的影响 / 137
5.3 锂资源 / 137
5.3.1 世界及中国锂资源 / 138
5.3.2 碳酸锂、氢氧化锂生产商 / 140
5.3.3 锂的用途及消费 / 143
5.4 镍资源 / 144
5.4.1 世界及中国镍资源 / 144
5.4.2 硫酸镍生产商 / 146
5.4.3 镍的用途与消费 / 147
5.5 钴资源 / 148
5.5.1 世界及中国钴资源 / 149
5.5.2 硫酸钴生产商 / 150
5.5.3 钴的用途及消费 / 151
5.6 锰资源 / 153
5.6.1 世界及中国锰资源 / 153
5.6.2 硫酸锰生产商 / 153
5.6.3 锰的用途及消费 / 154
5.7 金属回收利用 / 154
5.7.1 废旧电池的预处理分选工艺 / 155
5.7.2 有价金属的回收利用工艺 / 156
参考文献 / 159
6 三元材料合成方法
6.1 合成方法概述 / 161
6.1.1 溶胶-凝胶法 / 161
6.1.2 水热与溶剂热合成方法 / 163
6.1.3 微波合成 / 165
6.1.4 低热固相反应 / 167
6.1.5 流变相反应法 / 168
6.1.6 自蔓延燃烧合成 / 169
6.2 共沉淀反应 / 170
6.2.1 基本概念 / 170
6.2.2 工艺参数对M(OH)2（M=Ni，Co，Mn）前驱体的影响 / 173
6.3 高温固相反应 / 177
6.3.1 高温的获得和测量 / 177
6.3.2 高温固相合成反应机理 / 178
6.3.3 高温固相合成反应中的几个问题 / 180
6.3.4 高温固相合成反应应用实例 / 181
参考文献 / 186
7 前驱体制备工艺及设备
7.1 前驱体制备流程图及过程控制 / 189
7.2 主要原材料 / 191
7.2.1 硫酸镍（NiSO4·6H2O） / 191
7.2.2 硫酸钴（CoSO4·7H2O） / 193
7.2.3 硫酸锰（MnSO4·H2O） / 196
7.3 纯水设备 / 197
7.3.1 水中的杂质[9] / 197
7.3.2 前驱体纯水水质要求 / 198
7.3.3 纯水制备 / 199
7.4 氮气 / 200
7.5 前驱体反应工艺 / 202
7.5.1 氨水浓度 / 202
7.5.2 pH值 / 203
7.5.3 不同组分前驱体的反应控制 / 208
7.5.4 反应时间 / 210
7.5.5 反应气氛 / 212
7.5.6 固含量 / 213
7.5.7 反应温度 / 215
7.5.8 流量 / 215
7.5.9 杂质 / 215
7.6 搅拌设备 / 216
7.6.1 材质的选择 / 216
7.6.2 搅拌器选择 / 217
7.6.3 反应釜 / 220
7.7 自动化反应控制 / 220
7.7.1 pH值自动控制 / 220
7.7.2 温度控制 / 223
7.7.3 常用控制件选型 / 225
7.8 过滤洗涤工艺及设备 / 226
7.8.1 成饼过滤原理 / 226
7.8.2 过滤介质 / 227
7.8.3 过滤设备 / 229
7.9 干燥工艺及设备 / 231
7.9.1 干燥工艺 / 231
7.9.2 干燥设备 / 232
7.10 前驱体的各项指标及检测方法 / 236
参考文献 / 237
8 成品制备工艺及设备
8.1 成品制备工艺和过程检验 / 239
8.2 锂源 / 240
8.2.1 碳酸锂 / 241
8.2.2 氢氧化锂 / 243
8.3 锂化工艺及称量设备 / 245
8.3.1 锂化工艺 / 245
8.3.2 称量设备 / 248
8.4 混合工艺及设备 / 249
8.4.1 混合设备分类 / 250
8.4.2 三元材料混合设备的选择 / 250
8.4.3 三元材料常见混合设备 / 251
8.4.4 高速混合机和球磨混合机对比 / 254
8.5 煅烧设备 / 255
8.5.1 辊道窑 / 255
8.5.2 辊道窑和推板窑性能对比 / 260
8.5.3 匣钵 / 262
8.5.4 三元材料匣钵自动装卸料系统简介 / 263
8.6 煅烧工艺 / 266
8.6.1 煅烧温度和时间 / 266
8.6.2 烧失率和煅烧气氛 / 269
8.6.3 匣钵层数和装料量 / 270
8.7 前驱体对煅烧工艺及成品性能的影响 / 272
8.7.1 前驱体的氧化 / 273
8.7.2 粒度分布 / 273
8.7.3 形貌 / 274
8.8 粉碎工艺及设备 / 275
8.8.1 粉碎设备的分类 / 275
8.8.2 常见三元材料粉碎设备 / 275
8.8.3 粉碎工艺 / 279
8.9 分级、筛分和包装 / 282
8.9.1 分级 / 282
8.9.2 筛分 / 282
8.9.3 包装 / 284
8.10 磁选除铁 / 285
8.10.1 磁选除铁设备 / 285
8.10.2 磁选除铁案例 / 286
8.11 成品的各项指标及检测方法 / 287
8.12 三元材料关键指标控制方法 / 289
8.12.1 容量 / 289
8.12.2 倍率 / 289
8.12.3 游离锂 / 291
8.12.4 比表面积 / 292
8.13 成品改性工艺及设备 / 294
8.13.1 水洗 / 294
8.13.2 湿法包膜 / 297
8.13.3 机械融合 / 298
8.13.4 喷雾造粒 / 302
参考文献 / 306
9 三元材料性能的测试方法、原理及设备
9.1 X射线衍射 / 309
9.1.1 基本原理 / 309
9.1.2 XRD分析实例 / 310
9.1.3 主要设备厂家 / 316
9.2 扫描电子显微镜（SEM） / 316
9.2.1 SEM基本工作原理及应用 / 317
9.2.2 SEM应用实例 / 317
9.2.3 主要设备厂家 / 321
9.3 粒度分析 / 321
9.3.1 激光粒度仪 / 322
9.3.2 影响测试结果的因素 / 322
9.4 比表面分析 / 324
9.4.1 比表面仪 / 325
9.4.2 比表面积测试结果的影响因素 / 325
9.5 水分分析 / 327
9.5.1 水分分析仪 / 327
9.5.2 影响三元材料水分分析结果的因素 / 327
9.6 振实密度 / 328
9.7 金属元素含量分析 / 329
9.7.1 原子吸收分光光度计（AAS） / 329
9.7.2 电感耦合等离子体原子发射光谱分析仪（ICP-AES） / 330
9.7.3 化学滴定分析 / 330
9.7.4 ICP-AES对三元材料中镍、钴、锰、锂的分析 / 333
9.7.5 三元材料镍钴锰滴定分析与ICP-AES分析结果比对 / 334
9.8 热分析 / 335
9.8.1 基本原理 / 335
9.8.2 应用实例 / 336
9.9 材料电化学性能测试 / 337
9.9.1 恒电流充放电测试 / 337
9.9.2 循环伏安法 / 337
9.9.3 交流阻抗法 / 339
9.9.4 锂离子电池性能测试设备和方法 / 341
9.9.5 扣式电池制备工艺及设备 / 341
9.9.6 软包电池制备工艺及设备 / 342
9.9.7 圆柱电池制备工艺及设备 / 343
9.9.8 锂离子电池安全性能测试 / 345
参考文献 / 346
10 三元材料使用建议
10.1 首放效率及正负极配比 / 349
10.2 水分控制 / 351
10.3 压实密度 / 352
10.3.1 影响压实密度的因素 / 352
10.3.2 如何提升压实密度 / 353
10.3.3 过压 / 356
10.4 极片掉粉 / 358
10.5 高低温性能 / 358
10.6 三元材料混合使用 / 361
10.6.1 尖晶石锰酸锂和三元材料的混合 / 361
10.6.2 钴酸锂和三元材料的混合 / 364
10.7 三元材料电池安全性能 / 367
10.7.1 电池的热失控 / 367
10.7.2 负极的选择 / 368
10.7.3 电解液的选择 / 369
10.7.4 隔膜的改进 / 370
参考文献 / 371
11 国内外主要三元材料企业
11.1 前驱体生产企业 / 373
11.2 三元材料生产企业 / 374
11.2.1 欧美三元材料企业 / 374
11.2.2 日本三元材料企业 / 375
11.2.3 韩国三元材料企业 / 376
11.2.4 中国三元材料企业 / 377
12 三元材料专利分析
12.1 三元材料NCM专利分析 / 381
12.1.1 专利申请总体状况 / 381
12.1.2 NCM材料的重要专利 / 383
12.1.3 国内外主要企业分析 / 384
12.1.4 小结 / 391
12.2 NCA专利分析 / 392
12.2.1 专利申请总体情况 / 392
12.2.2 NCA材料的重要专利 / 393
12.2.3 国内外主要企业分析 / 394
12.2.4 小结 / 401
附录Ⅰ 三元材料相关化学滴定方法
Ⅰ.1 原料硫酸镍/氯化镍中镍含量的测定 / 403
Ⅰ.2 硫酸钴/氯化钴/钴酸锂中钴含量的测定 / 404
Ⅰ.3 硫酸锰/氯化锰中锰含量的测定 / 404
Ⅰ.4 三元材料中的镍钴锰总含量测定 / 405
附录Ⅱ 软包电池和圆柱电池制作工序
Ⅱ.1 软包电池制作程序 / 407
Ⅱ.2 圆柱电池18650制作程序 / 409
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