干货 | 锂离子电池正极材料、隔膜、电解液的制备方法

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 来源：锂电联盟会长

（一）锂离子电池正极材料的制备方法

三元材料的起源：

三元材料最早可以认为来自于20世纪90年代的掺杂研究，如对LiCoO2 ，LiNiO2等掺杂，在LiNiO2中通过掺杂Co的研究，形成LiNi1-xCoxO2系列正极材料，在20世纪90年代后期，有关学者进行了在LiNi1-xCoxO2中掺杂Mg，Al以及Mn的研究。法国Saft -LiNi1-x-yCoxAlyO2与LiNi1-x-yCoxMgyO2，但早期的Li(Ni,Co,Mn)O2没有阐明反应机理与采用合适的制备方法，21世纪初，日本Ohzuku与加拿大J.R. Dahn，利用氢氧化物共沉淀法制备出一系列Li(Ni,Co,Mn)O2化合物。其中，镍是主要的电化学活性元素，锰对材料的结构稳定和热稳定提供保证，钴在降低材料电化学极化和提高倍率特性方面具有不可替代的作用。三元材料具有高的比容量，良好的循环性能，稳定的结构，可靠的安全性以及适中的成本。在实验室的基础研究中，没有发现该材料的明显缺点。

从正极材料的发展路线图中也可以看出，三元材料的发展对整个动力电池能量密度的提升起到了重要的作用。

三元材料的合成方法：

先放出不同材料的热稳定性，从图中可以看出，随着镍含量的提高，整个正极材料的热稳定性是下降的，需要在性能以及安全方面找到一个平衡点，不能盲目的为了提高能量密度而去应用不安全的材料。

上几张图简单表明了三元材料的工艺流程以及中间的控制点，当然，一个好的三元材料的产生，其前驱体也是很重要的，下面将简单介绍一下前前驱体的合成工艺。

首先按照化学计量比配置一定浓度的金属离子混合溶液，同时配置一定浓度的氨碱混合溶液作为沉淀剂以及络合剂，连续通入氮气使反应釜气氛为氮气后进行反应，通过调节溶液pH值，生产复合沉淀物，经过过滤、洗涤、真空干燥后直接得到前驱体。涉及到沉淀剂的选择、络合剂的使用、加料方式的选择、反应气氛的控制等等。

锂源的选择：

工业化生产一般选择氢氧化锂和碳酸锂，但氢氧化锂含有结晶水，混合效果不好，所以碳酸锂用的多一些。最常见的含锂矿物质为锂辉石和卤水。

上图简单介绍了两种方法的流程，碳酸锂制备完成后，还需要经过一系列的检测才可使用。

混合设备：将前驱体和锂盐混合，有干法和湿法之分，干法混合应用较多。

煅烧设备：分为辊道窑和推板窑，性能上还是有所区别的。

作为三元材料制备中的一个比较重要的过程—煅烧，其温度、时间、气氛控制是其中比较重要的参数，煅烧温度高，煅烧时间可以适当缩短，镍含量高，煅烧温度也适当降低，不同的条件所制备出来的材料在电化学性能上也是有区别的。

破碎设备：根据产出的材料的大小，还需进行破碎以及粉磨。

分级、筛选、包装：产出的产品还需要根据粒径的大小筛选后进行包装，筛选设备如下：

除铁：这个过程贯穿于整个三元材料的制备过程，从原材料的筛选、烧结、过筛等等，每一步都需要除铁，设备一般有电磁除铁设备以及管道除铁设备。

性能检测：包括材料的物理指标以及电化学性能，在此之前已专门介绍过，在此不在详述。

小结：

本文主要介绍了三元材料的工业化生产方法和设备，至此，四大主材的基本性能介绍、检测方法、合成方法均告于段落。对于锂离子电池而言，需要四大主材相互配合，才能达到一个体系的平衡，发挥出材料本身的性能，这就需要在每一个环节上下功夫，追根究底，最终才能做成性能良好的锂离子电池，当然，这也需要格纹同仁们的一起努力。

（二）锂离子电池隔膜的相关制备方法

1， 干法：

干法工艺是指将高分子聚合物以及添加剂混合均匀后熔融挤出，并在拉伸应力下形成晶体结构，热处理后获得薄膜，然后在一定温度下拉伸出狭缝状微孔，热定型后形成干法隔膜，目前主要的工艺包括干法单拉和干法双拉。

干法单拉：

生产工艺描述：

首先将聚合物及添加剂等原料配比预处理后输送到挤出系统，然后将预处理的原料在挤出系统中经熔融塑化后从模头挤出熔体，经流延后形成特定结晶结构的基膜；将基膜经热处理后得到硬弹性薄膜，再进行冷拉伸和热拉伸后形成纳米微孔膜，最后根据客户的需求裁切为成品膜，整个流程相对比较简单，成本也低一些。

干法双拉：

由于PP 的β晶型为六方晶系，单晶成核、晶片排列疏松，拥有沿径向生长成发散式束状的片晶结构的同时不具有完整的球晶结构，在热和应力作用下会转变为更加致密和稳定的α晶，在吸收大量冲击能后将会在材料内部产生孔洞。该工艺通过在PP 中加入具有成核作用的β晶型改性剂，利用PP 不同相态间密度的差异，在拉伸过程中发生晶型转变形成微孔，其工艺流程和干法单拉大同小异，中间拉伸过程分为横向拉伸和纵向拉伸，性能会比单向拉伸隔膜好一些。

2，湿法：

利用热致相分离的原理，将增塑剂与聚烯烃树脂混合，利用熔融混合物降温过程中发生固-液相或液-液相分离的现象，压制膜片，加热至接近熔点温度后拉伸使分子链取向一致，保温一定时间后用易挥发溶剂将增塑剂从薄膜中萃取出来，进而制得的相互贯通的亚微米尺寸微孔膜材料。湿法工艺适合生产较薄的单层PE隔膜，是一种隔膜产品厚度均匀性更好、力学性能更好的制备工艺。根据拉伸时取向是否同时，湿法工艺也可以分为湿法双向异步拉伸工艺以及双向同步拉伸工艺两种。

湿法异步拉伸工艺流程为：投料、流延、纵向拉伸、横向拉伸、萃取、定型、分切。

湿法同步拉伸技术工艺流程与异步拉伸技术基本相同，只是拉伸时可在横、纵两个方向同时取向，免除了单独进行纵向拉伸的过程，增强了隔膜厚度均匀性。

干法、湿法所制备的隔膜具有不同的特点，隔膜的过程检测方法和手段已经在之前的文章详细讲解过，这里不在详述，只对基本的性能进行比较。

3，陶瓷隔膜：

随着锂离子电池能量密度的提升，对隔膜的要求也越来越高，陶瓷隔膜应运而生，在基膜的表面利用一系列的方法复合一层陶瓷层，可以提高隔膜的力学性能以及热收缩性能。

陶瓷种类为氧化铝、勃姆石，涂覆方法主要是凹版涂布，另外还有喷涂、浸入、狭缝涂布等技术，涂覆的厚度也是越来越薄，根据电池种类的不同选择不同种类的陶瓷隔膜。需要说明的是，尽管最终陶瓷隔膜看起来是很简单的一款产品，但陶瓷的选择、粘结剂的选择、陶瓷浆料的加工、涂覆一致性等等都是一个需要积累的过程，也具有一定的技术含量，做好也并不容易。

4，无纺布隔膜：

一般采用静电纺丝法制作，原理为将高分子流体静电雾化，雾化分裂出的物质不是微小液滴，而是聚合物微小射流，可以运行相当长的距离，最终固化成纤维。

但其较高的成本以及目前电性能的不稳定还是限制了无纺布隔膜的应用，有待进一步开发和研究。

小结：

本文主要介绍了的锂离子电池隔膜在工业上的生产方法，随着动力电池能量密度的提升，隔膜也是越来越薄，性能的要求也是越开越高，这就倒逼隔膜企业不断的进行技术的创新，才能不被新能源行业淘汰， 相信随着科技的发展，越来越多的新型隔膜也将走进人们的视野。

（三）锂离子电池电解液的相关制备方法

作为锂离子电池的“血液”——电解液，它承担着传导锂离子的重任，是锂离子电池获得高能量密度、低阻抗的关键；本系列就从电解液的制作过程入手，开始逐步的展开，为大家介绍四大主材的制作过程。

1,溶剂的制备：

EC、DEC、PC、DMC等环状或者链状的酯类，下面以EC为例简单的介绍一下溶剂的制作过程。

最早制备EC的方法是采用乙二醇以及光气反应，但是此工艺流程厂，收率低以及成本告，污染严重，已经被淘汰了。

酯交换法反应制备EC，反应速度提高，产率也有所提高。

卤代醇法、乙烯与二氧化碳合成法都具有反应复杂、工艺繁琐等问题。

尿素醇解法：由于反应简单，原材料价格便宜，未反应的乙二醇可循环利用，经济性明显，具有很好的发展前景。

其他的化工原料制备方法与之类似，在此不在详述。

2,提纯：

对于使用的有机原料分别采取提纯处理已达到锂离子电池电解液使用的标准，在此，需要检验的项目有纯度、水含量以及主含量等等。

3,LiPF6：

目前主要有四种方法制备，分别是气-固相法、氟化氢溶剂法、有机溶剂法和离子交换法。

气-固相法产品纯度高，但原材料成本高，工序过多，连续生产困难。

氟化氢溶剂法反应速度快，效率高，但是有HF产生，对反应容器的耐腐蚀性有很高的要求。

有机溶剂法避免了HF的产生，操作相对安全，但PF5仍需制备，具有较强的腐蚀性。

离子交换法避免了使用PF6作为原料的缺点，但是使用的醇基锂和氨会发生反应，原材料价格较贵，难以实现工业化生产。

对于最终的使用的LiPF6，还需要精制，已达到电解液的纯度要求。

4,由于电解液的敏感性，所以对包装桶也需要经过预处理、水洗、氩气置换等工序，保证其的干燥和没有杂质。

5,下一代电解液展望

1）3C领域，由于手机、平板以及可穿戴设备的发展，小电池电解液强调高能量密度，向高电压发展；

2）大型领域，需要兼顾电导率、高低温、低成本以及长寿命的要求；

3）其他方面，由于能量密度的提升，要求负极材料的高压实，因此电解液的浸润性、成膜稳定性、循环稳定性都需要深入考虑；随着硅材料的广泛使用，相关适用于硅体系的电解液也逐渐成文研究的热点；基于安全的考虑，阻燃添加剂、高电压下正负极表面保护添加剂以及复合功能添加剂成文研究的热点。

小结：本文主要介绍了的电解液在工业上的生产方法，以及一些原材料的合成方法，需要说明的是，虽然电解液的制作过程看起来相对比较简单，但其中对环境、温湿度、杂质的控制是有严格要求的，在实际生产中往往有这种情况的发生，几个电解液的成分是完全一样的，但是电性能却差的很远，究其原因，很大一部分原因就是原材料纯度不纯或者电解液中含有一定量的杂质，所以在实际生产中，一定要生产过程中的环境控制。

来源：锂电联盟会长