低碳经济下新能源动力电池材料装备发展趋势

湖南顶立科技有限公司Advanced Corporation for Materials & Equipments

29 届全国化学与物理电源学术年会

戴 煜

一、新能源动力电池材料生产装备

钴酸锂、锰酸锂及三元材料的生产装备

磷酸铁锂的生产装备

二、关于顶立

目录

戴煜简历 湖南省工商联常委、湖南省国际商会副会长 中南大学粉末冶金研究院工学博士 湖南顶立科技有限公司董事长 中国材料学会产业委员会委员 中国有色金属学会粉末冶金及金属陶瓷学术委员会委员 湖南新材料产业协会副理事长 湖南省材料及热处理学会副理事长 获国家发明专利及实用新型专利 38 项 发表学术论文 80 余篇 主持和参与起草《铁青铜复合粉》、《真空脱脂烧结一

体炉》、《连续带式炉》行业标准三项

全球低碳趋势、低碳对装备要求 低碳经济：“低碳经济”最早见诸于政府文件

是在 2003 年的英国能源白皮书《我们能源的未来 : 创建低碳经济》

2007 年 7 月 , 美国参议院提出了《低碳经济法案》 , 表明低碳经济的发展道路有望成为美国未来的重要战略选择

2007 年 9 月 8 日，中国国家主席胡锦涛在亚太经合组织（ APEC ）第 15 次领导人会议上 , 郑重提出了四项建议，明确主张“发展低碳经济”

低碳经济 在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种手段，发展以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，是人类社会继农业文明、工业文明之后的又一次重大进步。

低碳经济要求材料生产装备必须低能耗、低污染、低排放。

电池材料生产装备

随着便携式电器、移动通信、航空航天等领域的飞速发展，以及人们对能源危机、环境污染问题的日益关注，高能量密度的二次电池的研究和开发引起了人们的广泛关注。锂离子二次电池具有高放电电压、无记忆效应、能量密度高、优良的循环性能等优点，被广泛用于便携式电器、军用及民用装备。

锂电池主要包括正极材料、负极材料、隔离膜、电解质四个部分，其中正极材料所占成本占总成本的 33% ，其研究成为锂离子电池研究最热门的内容之一。

电池材料生产装备

电池正极的材料 生产工艺 生产设备

钴酸锂、锰酸锂及三元材料

高温固相合成技术

空气推板窑和空气辊道窑

磷酸铁锂 （ LiFePO4 ）

固相合成，液相合成以及改进的碳热还原法合成工艺

连续式带式炉（包括钢带炉和网带炉）、气氛推板窑、真空炉、回转窑

锂电池正极生产工艺与设备对比

钴酸锂、锰酸锂及三元材料生产装备

目前商业化的锂电池多采用钴酸锂（ LiCoO2 ）作正

极材料。

钴酸锂、锰酸锂、三元材料【 Li(Ni,Co,Mn)O2】的工

业化生产通常采用高温固相合成技术。不同生产厂家其生产工艺如烧结温度，烧结时间，烧结气氛，烧结窑炉等均有所不同。

钴酸锂、锰酸锂及三元材料生产装备

为锂电池正极材料烧结开发的专用空气推板窑和空气辊道窑。

特点：

产能大、工艺调整方便、运行稳定可靠

应用广，适用于各种不同类型的锂电池材料（如钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂等）的烧结，被国内外用户广泛采用。

钴酸锂、锰酸锂及三元材料的生产装备

目前钴酸锂、锰酸锂及三元材料生产的主要设备是：空气推板窑和空气辊道窑。而国内大部分电池材料生产均采用的是空气推板窑。针对空气推板窑目前存在的一些如拱窑、推板及匣钵非常容易破损，生产成本高等问题，湖南顶立科技有限公司开发了专用于电池材料生产的——全自动空气辊道窑。

全自动空气辊道窑

具有能耗低、窑体结构适用轻质耐火保温材料、升温和降温迅速、截面温度均匀、适于快速烧成、温度控制精确、自动化程度高等显著优点。

不用窑车或推板的隧道窑，突出的特点是采用许多平行排列的可转动的辊子组成的辊道 ( 即窑底 )来代替窑车或推板作为烧制产品的运载工具。传动系统使辊子转动，输送被烧制的产品沿通道向前移动，经预热带和烧成带，再经冷却带冷却后出窑。

全自动空气辊道窑

1 、炉膛温度场稳定、均匀。炉衬的热阻在各个方向上接近或相同。

2 、尽量使用蓄热小和保温性好炉衬材料。根据温度高低不同，分别选择不同的炉衬材料，最大限度地降低用户成本。

3 、合理选择上、下加热室的高度与几何形状，既要保证窑腔内有良好的烧结气氛，又要保证窑腔内温度场的均匀性。

全自动空气辊道窑特点

4 、进一步提高窑炉的可靠性，合理选择和安装发热体，关键件选择进口件，在机械传动中要认真考虑运动部件受热膨胀、变形等问题。

5 、重视窑炉安全保护措施设计，考虑到辊道窑的特殊性，在推板电窑的保护措施的基础上，增加驱动电机故障、产品堆积卡窑等报警功能。在处理堆积卡窑故障时，有自动防止辊棒弯曲变形的正反转功能。

6 、采用模快化设计，便于运输与维修。

全自动空气辊道窑特点

辊道窑主要包括：窑体、送取料传动系统、温度控制系统、送排气系统等。 窑体是由窑墙、窑顶和窑底组成的。窑内辊道平面又将窑内空间分为上、下两个部分。 送取料传动系统由调速电动机、蜗轮减速机、离合器、齿轮及辊子和支座等构成。 电加热系统由温控系统采用集散型控制方式，由带通讯接口的智能温控仪、可控硅触发器和可控硅模块组成。 送排气系统包括包括送风机、排气风机、管道、流量计及调节阀门，可根据工艺要求方便调节送、排气量大小。

全自动空气辊道窑组成

全自动空气辊道窑各段结构

预热带截面

冷却带截面 低温冷却带截面

烧成带截面

全自动空气辊道窑送取料传动系统窑体部分分为 4 段，由 4 台电机驱动，变频调速。在窑头设置一个入口横送架，自动将返回轨道上的托盘和产品送到窑口。在窑尾设置一个出口横送架，将出窑的托盘和产品自动送到返回架上。

全自动空气辊道窑温度控制系统

温控系统采用集散型控制方式，由带通讯接口的智能温控仪、可控硅触发器和可控硅模块组成。具有整机电路简单，性能可靠，抗干扰能力强等特点。宽体辊道窑的温度属纯滞后、大惯性的对象，是一种时变、非线性分布参数的对象。因此，温控系统宜采用智能 PID控制。智能温控仪和可控硅触发器按 PID控制算法移相触发 0-

100% 输出连续调控。设有手动及自动 PID调节，自动跟踪、自动补偿。

空气推板窑

本设备主要用于钴酸锂、锰酸锂和三元材料的烧结合成，也可用于烧结硬磁铁氧体材料、 PTC 元件 、瓷片电容 、电视机偏转线圈磁芯等。

空气推板窑装备

合成工艺对设备的要求：1. 烧结时间和烧结温度的可调节性锂电池正极材料在适宜的烧成温度下应有一定的保温时间（恒温段的长度），以使匣钵内外温度趋于一致，保证匣钵内物料料充分烧结。2. 降温速率的控制合适的降温速率对产品的性能影响极大；同时，用于装载物料的特殊匣钵热震性能差，降温速率的控制非常关键：如果冷却速度太快，会引起匣钵炸裂；如果冷却速度太慢，则出窑温度过高。

空气推板窑

合成工艺对设备的要求：

3. 运行可靠性和窑内气氛的确保钴酸锂粉末材料非常昂贵，烧结设备的任何微小故障都可能给用户造成大的损失，这就要求设备整体包括易损件（如加热元件等）都运行可靠且使用寿命长；另外，在烧结过程的特定阶段应保持一定的气氛，以保证料粉中物理化学过程的进行。

空气推板窑

设备的要点：1. 确保工艺调整方便、可靠不同的锂电池原料需要不同的烧结工艺，这就要求我们的烧结窑炉具有较宽的工艺调整范围。 2. 控制降温速率、保证产品性能、保证防止匣缽炸裂 由于计算出理论降温速度较困难，我们需要依据长时间的实验数据来设计降温区，我们常用的降温方法有：采用合适的拱顶抬高炉膛，以及调节进、排风量使之梯度降温。在高温区后设计了间接风冷结构，以使物料在400℃前缓慢降温。

空气推板窑

设备的要点：

3. 保证窑内充分的氧化气氛 为了保证反应的进行，窑腔内应有充分的氧化气氛。窑炉管道设计要充分满足：通过进、抽风道的阀门，调节窑内压力等措施，保证产品烧结时所需的氧化气氛。4. 保证窑腔内气氛洁净：锂电池粉料对烧结环境要求苛刻。采用马弗式加热，可有效防止炉膛内耐火材料砌体的粉尘对烧结产品的污染。

空气推板窑

磷酸铁锂主要合成装备

磷酸铁锂合成时对温度和气氛非常敏感，对合成装备

要求较高：

1. 要有严密的气氛保护系统，确保磷酸铁锂材料中的Fe2+不被氧化；

2. 温度场均匀，且升温速度可控，精确度高，保证合成的磷酸铁锂颗粒，均匀细小，提高锂离子扩散能力；

3. 合成时间精确可调，保证产品质量稳定；

磷酸铁锂主要合成装备

磷酸铁锂合成时对温度和气氛非常敏感，对合成装备

要求较高：

4. 由于在生产过程中产生大量的反应气体，这些废气必须迅速排出，防止在炉内反复循环消耗 C 源，使LiFePO4 中 C 源不可控，影响最终成品质量；

5. 往往在废气中含有大量水汽等物质，在排气过程中容易产生结露，并回流到炉内，对炉内气氛和产品产生二次污染。

国内主流的磷酸铁锂合成装备：

连续式带式炉（钢带炉和网带炉） 气氛推板窑 真空炉 回转窑

磷酸铁锂主流合成装备

连续式带式合成钢带炉

连续式带式合成钢带炉

无人工干预，铺料均匀，温度场稳定； 无舟皿装料无烧结或还原死角，气氛均匀； 温度控制精确，分布均匀，质量稳定可靠； 自动化程度高，减少劳动强度，节约人工成本。

炉型特点：

连续式带式合成钢带炉

这种炉型在合成 LiFePO4

材料的升温过程中，钢带传热速度快，接近钢带物料层过热，出现物料垂直方向加热不均匀的现象，这种问题可通过调节铺料厚度与控制带速等工艺参数来解决。

炉型特点：

如果只采用一台设备完成预烧及合成，预烧产生的大量气体对炉内气氛和温度影响较大，在炉内容易产生气体紊乱，冷却段出现水珠凝结，造成产品在出炉时局部氧化。

连续式带式合成钢带炉特点

采用带式炉二段式合成即：预烧→烧结合成 预烧阶段发生的主要反应1. FeC2O4·2H2O=FeC2O4+2H2O

2. FeC2O4=FeO+CO+CO2

3. NH4H2PO4=NH3+H3PO4

4. H3PO4+Fe2O3→FePO4+H2O

连续式带式合成钢带炉特点

烧结阶段发生的主要反应

1. 4FePO4+2LiCO3+C=4LiFePO4+3CO2↑

2. 2FePO4+LiCO3+C=2LiFePO4+CO2+CO↑

采用二段式合成时， Fe2+不容易被氧化，基本无杂相，产品均一，性能稳定可靠。

连续带式合成钢带炉特点

连续带式合成网带炉

连续带式合成网带炉的特点

网带式炉烧结磷酸铁锂有以下优势：

1 ）网带自动传动，安全可靠，劳动强度低； 2 ）温度场均匀，气氛稳定； 3 ）采用网带传动，匣钵装盛物料，粉末不直接接触马弗，传热速度慢且均匀。但其在匣钵死角区域出现粉末不均匀，容易产生轻度的氧化斑点。

专用合成真空炉

真空炉生产磷酸铁锂的优劣

使用真空炉生产 LiFePO4的优势： 温度场均匀； 无气氛污染； 无氧化； 生产成本低 ；

使用真空炉生产 LiFePO4的缺点： 在抽真空时，低密度的合成原料粉末容易被抽出，造成浪费、污染炉膛及连接管道；

预烧反应生成的气量大，很难及时排出；

优势：连续式生产，产量大。

气氛保护回转炉

缺点：炉管内部摩擦因素的不同，不同颗粒粉末 a 、 b 在炉内的运动轨迹也不同，放大来看也就是物料在炉内分布不均，带的热量有大有小且行程各有长短，造成炉管内不同位置点的温度差异，各点物料合成时间不同，严重影响 LiFePO4 材料的性能。并且在高温下粉末容易粘附炉管内壁，出现粉末粒度不均匀情况，同时振打炉管时产生噪音。

气氛保护回转炉

目前使用较为成熟的合成窑炉，即全气氛推板窑，国内一些厂家根据磷酸铁锂的合成特性，专门设计了一种全自动气氛推板窑，采用自动进出料，所有动作 PLC 控制，操作简单；

气氛推板窑

气氛推板窑特点

独特的炉膛结构和排气系统设计，使炉内的气氛流动可控，反应之后的废气能及时地从炉体排出，防止在炉内反复循环消耗 C 源。

炉内气氛不会在气温较低的部分产生结露现象，不会造成水蒸气回流到炉内对产品产生二次污染。

发热体在炉膛内上下均匀布置，每一区设置了两个控温点和一个检测点，保证了 LiFePO4 材料对温度均匀性的要求。

气氛推板窑特点

该装备窑体为全封闭式，炉内氧含量可达 10ppm 以下，能充分满足 LiFePO4 材料对气氛的要求。

由于在烧结前期产生大量气体，造成预烧段发热体非常容易断裂，给正常生产造成诸多不便。针对此项问题，我司成功的解决了这一难题。

磷酸铁锂生产装备比较

温度均匀性 保护气氛 产量 可操作性 合成质量 生产成本 设备成本

钢带炉 好 一般 大 强 好 中 中

网带炉 好 一般 中 强 好 中 中

推板窑 好 较好 中 强 好 中 中

真空炉 好 无需气氛 小 强 好 低 高

回转窑 中 一般 大 一般 差 低 中

无论是气氛推板窑、带式炉、真空炉和回转窑，反应废气的迅速排出和水汽结露一直是困扰着设备生产厂商的两个难题，也是最容易被人忽视的两个问题。对此我们开展了大量工作和生产实验，我们独特的经验和方法，已经在一些设备中得到了成功的应用，如天津斯特兰，郑州向日葵，深圳科雷拉等单位。

随着往后对电池材料更高质量的追求和装备的应用升级，全气氛保护辊道窑和微波快速烧结将会得到广泛的使用。

磷酸铁锂生产装备小结

结论

新一代新能源动力电池材料装备，必须适应国际形势的发展，努力实现以下几个要求：

“ 三低”（低能耗、低污染、低排放）； “ 三高”（高性能、高精度、高效率）； “ 三化”（功能集成化、控制智能化、生产安全化）

中国工程院院士、中南大学校长黄伯云先生为公司题名

关于顶立

公司商标为湖南省著名商标

公司被认定为“国家级高新技术企业”

公司成立于 2006 年，位于区位优势突出的长、株潭中心区域，是一家专业从事粉末冶金及新能源装备制造的“国家级高新技术企业”。 公司是湖南省材料与热处理学会常务理事单位，共青团中央“青年就业创业见习基地”，“长沙市企业技术中心” ,“ 湖南省国际商会副会长”单位，“湖南省新材料产业协会副理事长”单位，中南大学教学实习基地，中南大学的人才联合培养基地，国防科技大学陶瓷复合材料科研基地，长沙理工大学教学实习基地。

1 、公司基本情况

1.2 组织机构

1 、公司基本情况

董事会

总经理

真空设备事业部

非真空设备事业部

零部件制造事业部

新材料事业部

材料装备与工艺研发中心

材料装备与工艺演示中心

中色冶金工程设计中心

运营部

营销部

物质采购部

质量控制部

财务部

人力资源部

办公室

1.3 顶立文化

1 、公司基本情况

（ 1 ）使命：为社会提供先进粉末冶金与新能源装备，致力于推动粉末冶金及新能源事业的进步与发展。（ 2 ）愿景：成为中国粉末冶金及新能源装备制造领域的系统方案解决者。（ 3 ）经营理念： 顾客至上，员工为尊。（ 4 ）核心价值观：诚信正直，尊重合作。（ 5 ）企业核心竞争力：创新、服务、为顾客创造价值。

材料装备与工艺示范中心

我公司秉承“低风险，让顾客放心，生产精品，为顾客创造最大价值”的经营理念，特成立材料装备与工艺示范中心

该中心拥有 1800平方米的演示大厅，拥有本公司生产的设备组成的多种工艺试验线，在与实际使用相结合的过程中不断提高了设备的工艺性能和实用性 ，同时为更多新材料和新能源领域提供多种解决方案的试验平台

材料装备与工艺示范中心

为顾客的设备选型提供依据：顾客在购买设备前，可能由于对各类设备不熟悉，可以到示范中心现场做不同的验证试验，从而为设备选型提供依据

为顾客培训技术及操作人员 为科研院所的研究人员提供中试及产业化平台 为顶立科技的研发人员提供设备与材料工艺相结

合的研究平台

• 1.4 体系认证

1. 技术创新、重大装备研发与产业化 企业承担的国家项目及获奖情况：

国家科技支撑计划《水溶法制备超细纳米碳化钨 / 钴复合粉成套关键装备研发与产业化》

国家科技型中小企业创新基金项目《新型高效节能真空脱脂烧结一体炉》

国家科技型中小企业创新基金项目《连续带式炉》

湖南省重点国际合作项目《水溶法制备超细纳米碳化钨 / 钴复合粉》

主持起草国家标准《真空脱脂烧结一体炉》、 《连续带式炉》

参与起草国家标准《铁青铜复合粉》、 获全国工商联科技进步优秀奖——新能源动力电池材料合成带式装备； “ 顶立牌”商标获湖南省著名商标 《高压水雾化制取高性能铜及铜合金粉》获安徽省科技进步二等奖（与安徽省铜陵有色

金属集团合作）

公司基本情况

1. 技术创新、重大装备研发与产业化重大装备研发与产业化项目：1 、超高温（ 3000 ℃ ）熔炼惰性气体雾化系统2 、大型全自动高温还原 /碳化 /烧结多功能炉3 、带式无舟皿超细均匀钨 /钼 /钴粉还原炉 4 、超大型多功能喷雾干燥塔5 、超大型矩形真空烧结炉6 、 10MPa压力烧结炉

公司基本情况

1. 技术创新、重大装备研发与产业化

7、 2MPa压力烧结淬火多功能炉

8、 2500℃ 高温高真空感应烧结炉

9、大型立式多气氛烧结炉

10 、高温石墨化炉

11 、全自动电池材料推板窑

12 、磷酸铁锂动力电池材料合成专用炉

13 、粉末冶金装备远程诊断系统

公司基本情况

重大装备研制开发及产业化

水溶法制备超细纳米碳化钨 /钴复合粉成套关键装备

重大装备研制开发及产业化

磷酸铁锂动力电池材料合成专用装备

重大装备研制开发及产业化

大型全自动高温还原 /碳化 /烧结多功能炉

重大装备研制开发及产业化

高温高真空烧结炉

重大装备研制开发及产业化

10MPa压力烧结炉

重大装备研制开发及产业化

超大型矩形真空烧结炉

重大装备研制开发及产业化

2500℃ 高温高真空感应烧结炉

重大装备研制开发及产业化

大型立式多气氛烧结炉

重大装备研制开发及产业化

大型真空高温石墨化炉

核材料领域 中国工程物理研究院 ( 九院 ) 、 核工业西南物理研究院 ( 五八五 ) 、 中国核动力研究设计院 ( 九 0 九 ) 、

公司基本情况

2. 部分重点客户

碳材料领域 上海宏特碳纤维材料 湖南海鑫 湖南益阳金博 吉林联科

公司基本情况

2. 部分重点客户

新能源领域 比亚迪 广州融达 河南科隆、 深圳科雷拉 河南华鑫 天津斯特兰

公司基本情况

2. 部分重点客户

1.7 部分重点客户

航空航天领域 中航工业集团 国防科技大学、 北京航天材料及工艺研究所（七 0 三所）

公司基本情况

2. 部分重点客户

高等学校、研究院所 中南大学、 北京有色总院 北京钢铁研究总院 广州有色院 重庆科学技术研究院

公司基本情况

2. 部分重点客户

大型企业 金川集团、 比亚迪公司 株硬集团、 自硬公司、 株洲长江公司 厦门钨业、 春保钨钢、 安泰科技 金堆城钼业公司、 重庆华浩 牡丹江北方工具厂 ( 一二一 ) 西安东方集团 ( 八四四 ) 、

公司基本情况

2. 部分重点客户

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