1、BoseraAssetManagementCo.,Ltd.锂电正负极材料设备研究框架请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明仅供机构投资者使用仅供机构投资者使用证券研究报告证券研究报告2022年2月锂电需求旺盛，聚焦正负极材料生产设备【华西机械】先进制造业研究框架系列九2常用方法：高温固相反应预处理造粒石墨化混料包覆整形计量包装反应釜连续性造粒设备球磨机等真空上料机气流磨旋风除尘器混料机三元次振动筛设备混料机连续性反应釜混料筛分超微整形机石墨化炉计量包装系统锂电材料需求正极35%其他28%隔膜12%电解液13%负极12%三元材料磷酸铁锂钴酸锂锰酸锂天然石墨人造石

2、墨其他，如非碳类人造石墨负极设备投资额约1亿元+/万吨（石墨化自主加工预计接近2亿元）设备投资额：高镍三元锂约2亿元/万吨常规三元锂约1.5亿元/万吨磷酸铁锂约1.2亿元/万吨钴酸锂约1.7亿元/万吨人造石墨占比提升锂电材料设备需求（=新能产能单位投资额）动力、消费、储能 测算注：设备投资额仅作为参考，不同项目会有所差异锂电池正负极材料设备研究框架以人造石墨负极为例1）三元高镍化2）磷酸铁锂和三元材料占比较高投料配混料装钵烧结粉碎除铁包装投料站配料秤装钵机窑炉粉碎机除铁器包装机前驱体等dVaXyXgVnVaZzWmNpOrRaQcM7NsQpPmOoMfQpPpNlOmNvN9PnNzQvPp

3、NpPuOtPoN主要观点锂离子电池应用广泛，正负极材料成本占比较高：锂电池在动力电池市场、消费电池市场和储能电池市场有着广泛应用，其原理是利用锂离子在电场的作用下的定向运动来完成电荷的传递，其正负极均为化学势随着锂离子含量变化的化合物，锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液等组成。其中，正极（成本约占总成本比例约35%）是整个电池中可嵌脱锂离子的来源，负极（约占总成本比例的12% ）是锂离子的受体。正极材料包括磷酸铁锂、三元材料、钴酸锂、锰酸锂等，且以磷酸铁锂和三元材料为主；负极材料包括天然石墨、人造石墨等，且以人造石墨为主。新能源汽车渗透率不断提升，正负极材料产能快速扩张：2021年我国

4、正极材料产量约111.17万吨，产量同比增加约100%。2021年我国锂电负极材料产量约81.59万吨，同比增长76%。主要受益于新能源汽车渗透率不断提升，对正负极材料需求逐渐加大。根据我们测算，2025年，全球（动力+消费+储能）正极和负极材料的需求将分别由2021年的118万吨和59万吨提升至603万吨和302万吨，预计至2025年我国正极材料产能有望达到640万吨，负极材料产能有望达到250万吨，2021-2025年期间产能扩张复合增速分别约为44%和26%。正负极材料设备投资额较高，产能扩张提振设备需求：1）正极加工生产线由配混系统、烧结系统、粉碎系统、水洗系统（仅高镍）、包装系统、粉

5、体输送系统和智能化控制系统构成。以常州当升科技二期工程年产5万吨的高镍正极项目为例，其设备购置费约10.90亿元，其中辊道窑价值量最高，占比接近36%。2）负极材料以人造石墨为例，基本步骤就包括预处理、热解、磨球、石墨化（即热处理，使原本分布杂乱无章的碳原子整齐排列，关键技术环节）、混料、包覆、混料筛分、计重、包装入库。以璞泰来年产5万吨高性能锂离子电池负极材料建设项目为例，主要设备购置费约6.17亿元。3）根据我们测算，2021-2025年国内正极材料年均设备需求约162亿元（不含前驱体生产设备市场规模），正极前驱体生产设备需求约81亿元，负极材料设备年均需求约59亿元。受益标的：百利科技具

6、备正负极材料全流程服务能力稀缺标的，设备自制率有望持续提高，锂电业务在手订单饱满。其他受益标的如天通股份等。风险提示：锂电正负极材料产能扩张不及预期、新能源汽车行业景气度不及预期、行业竞争加剧。3目录1 1锂电正负极材料介绍及需求测算锂电正负极材料介绍及需求测算正极材料生产工艺及关键设备2 2负极材料生产工艺及关键设备3 34 4受益标的受益标的5 5风险提示风险提示4 锂离子电池简介 正极材料 负极材料 全球正负极材料需求测算1.1 锂离子电池简介锂离子电池：利用锂离子在电场的作用下的定向运动来完成电荷的传递（氧化还原反应），其正负极均为化学势随着锂离子含量变化的化合物。粒子总是从高化学势向

7、低化学势区域、相或组元转移，直到两者相等才相互处于化学平衡。使用领域较为广泛：锂电池在动力电池市场、消费电池市场和储能电池市场应用广泛。锂离子电池的原材料：主要由正极、负极、隔膜、电解液、铜铝箔、结构件等构成。 正极材料：为层状过渡金属氧化物，正极是整个电池中可嵌脱锂离子的来源； 负极材料：一般为碳素材料（石墨等）和非碳材料，负极是锂离子的受体。成本拆分：根据真理研究数据，正极材料成本约占总成本的35%，负极材料占总成本的比例约12%。5图：锂离子原理图资料来源： 锂离子电池正极材料原理、性能与生产工艺，华西证券研究所图：锂离子电池成本构成 35%12%12%13%13%13%2%正极负极隔膜

8、电解液铜铝箔结构件其他1.2 正极材料：用途与分类正极是电池中可嵌脱锂离子来源，基本要求包括： 放电反应应该有较负的吉布斯自由能（较高的放电电压）； 基本结构的分子量要低且能插入大量的Li+（高质量比热容）； 主体结构的Li+扩散和电子迁移速度必须快（高功率密度）； Li+嵌入与脱出可逆，嵌脱过程中主体结构变化要小（长循环寿命）； 化学稳定性要好，无毒，廉价； 材料制备容易。主流的正极材料包括磷酸铁锂、三元锂、钴酸锂、锰酸锂等。其中，三元锂和磷酸铁锂在性能、寿命、安全性等方面综合优势相对于钴酸锂、锰酸锂较大。6表：锂离子电池正极材料比较 1.2 正极材料：磷酸铁锂和三元并驾齐驱磷酸铁锂和三元材

9、料各有优势。凭借磷酸铁锂低成本、循环寿命长、安全性较高等优势，其装机量不断提升，磷酸铁锂电池的装机量于2021年7月实现了对三元锂电池的反超。而三元材料具有成本高、循环寿命短、安全性差的缺陷，但在能量密度、低温性能方面更具优势。7图：2021年国内动力电池装机量分析（kWh，按电池类型） 05,000,00010,000,00015,000,00020,000,00025,000,00030,000,000三元磷酸铁锂锰酸锂钛酸锂其它1.2 正极材料：磷酸铁锂和三元并驾齐驱正极材料产量&装机量快速增长。2021年我国正极材料产量约111.17万吨，产量同比增加约100.78%，2021年我国动

10、力电池装机量也出现大幅增长。我们预计，2025年，我国新能源汽车销量有望达到1000万辆以上，全球新能源汽车销量达到2000万辆以上，催生巨大正极材料需求。各企业加码正极材料产能布局。2021年厦门新能、容百科技等及新进入者如海螺创业等也在积极加码磷酸铁锂产能布局。8公司金额（亿元）产能（万吨）项目概要国轩高科/20拟建年产20万吨高端正极材料生产基地/10拟在宜丰、奉新两地投建的碳酸锂项目，预计年产10万吨厦门新能10016拟在四川雅安投建锂电正极材料项目（10万吨磷酸铁锂+6万吨三元材料等）9.2710拟在四川雅安投建年产10万吨磷酸铁锂生产线（首期）6.22海璟基地2万吨锂离子高镍三元正

11、极材料生产线设备采购安装项目容百科技/40拟在湖北仙桃投建锂电池整机制造基地，年产能40万吨2910启动年产10万吨高镍正极材料生产线二期及后续项目海螺创业105（规划50）拟在安徽芜湖建设年产50万吨磷酸铁锂正极材料项目一期项目5万吨中航创新1810年产10万吨锂电正极材料项目落户四川眉山长远锂科33.394全资子公司长远新能源拟投建车用锂电池正极材料扩产二期项目，建设4万吨/年正极材料生产线20.886全资子公司长远新能源拟投建年产6万吨磷酸铁锂正极材料项目市场品种2020A2021E2022E2023E2025E国内钴酸锂8.1610.110.2311.2613.62三元23.4644.

12、0556.9874.07125.18磷酸铁锂12.7545.9167.3287.52147.9锰酸锂6.6311.1115.1520.1335.64合计51111.17149.68192.99322.34国外钴酸锂2.462.953.13.263.59三元20.7631.1440.4952.6388.95磷酸铁锂0.351.052.12.815.05锰酸锂0.470.490.520.540.6合计240435.6446.259.2598.19合计产量72.34133.82195.88252.23420.53表：正极材料产量及预测（万吨） 表：部分正极材料生产企业产能规划1.2 负极材料：用途与

13、分类负极材料是锂离子受体，主要分为碳类材料与非碳类材料。前者被量产的锂离子电池广泛采用，具有安全无毒、循环寿命长、成本低廉的优点，但质量比与能量比均较低导致功率较小。后者体积能量密度高，可以达到很大功率，但是目前稳定性较低、制作成本较高，仍有许多技术困难亟待克服。9表：各类锂电池负极材料性能特点具体分类比容量（mAh/g）首次功率循环寿命安全性快充特征碳类负极天然石墨340-37090%1000次一般一般人造石墨310-36093%1000次一般一般中间相碳微球300-34094%1000次一般一般石墨烯400-60030%1000次一般差软碳230-27080%1000次一般好硬碳500-7

14、0080%1500次一般好非碳负极钛酸锂165-17099%30000次最高最好硅碳复合材料100060%300-500次差差图：负极材料大致分类 负极材料碳材料石墨化碳天然石墨复合石墨人造石墨中间相碳微球无定形碳硬碳软碳碳纳米材料石墨烯非碳材料钛基材料锡基材料硅基材料硅碳复合材料氮化物1.3 负极材料：用途与分类10碳类材料是传统的锂电池负极材料。根据材料性能可以再细分为天然石墨、人造石墨、中间相碳微球与石墨烯等。碳类材料合成方法简单、循环寿命长等优点，是现阶段应用最广泛的负极材料。根据转化为石墨的容易程度，可以将非石墨电极分为硬碳和软碳。软碳与电解液相性很好，但首次充放电不可逆容量高，输出

15、电压较低，所以一般不直接做负极材料。类型优点缺点应用领域发展方向天然石墨技术及配套工艺成熟，成本低比能量已到极限，循环性能及倍率性能较差，安全性能差钢壳、铝壳、聚合物、圆柱等锂离子电池低成本化，改善循环人造石墨技术及配套供应成熟，循环性能好比能量低，倍率性能较差，安全性能差各类长循环方形、圆柱、聚合物电池提高容量，低成本化，降低内阻中间相炭微球技术及配套工艺成熟，倍率性能好，循环性能好比能量低，安全性能较差，成本高EV、HEV、电动工具、储能、消费电子类电池提高容量，低成本化石墨烯电化学储能性能优异，充电速度快，可提高锂电池的负载能力技术及配套工艺不成熟，成本高-低成本化，解决与其他材料的配套

16、问题钛酸锂倍率性能优异，高低温性能优异，循环性能优异，安全性能优异技术及配套工艺不成熟，成本高，能量密度低动力性锂离子电池、储能型锂离子电池、超级电容器解决钛酸锂与正极、电解液的匹配问题，提高电池能量密度硅碳复合材料理论比能量高技术及配套工艺不成熟，成本高，充放电体积变形，导电率低超高容量锂离子电池低成本化，解决与其他材料的匹配问题表：各类负极材料现状对比 1.3 负极材料：人造石墨负极占比不断提升11根据高工锂电数据，2016-2020年，我国负极材料出货量逐年上升，2020年我国负极材料出货量36.5万吨。其中，人造石墨出货量由2016年的8.03万吨上升至2020年的30.7万吨，年均复

17、合增长率近40%。根据鑫椤资讯数据显示，2021年中国负极材料产量为81.59万吨，同比增长76%。随着新能源汽车渗透率不断提升，对负极材料需求也不断增大，主要负极材料生产企业纷纷加大产能规划，并不断有新进入者如杰瑞股份等加快负极材料布局。从负极产品结构来看，2020年人造石墨产品占比进一步提升，市场占比达到84%。以硅基负极为代表的其他负极材料，市场占比有所下滑。天然石墨占比出现下降，主要是因为2020年主流电池企业采购天然与人造石墨混合材料，降低纯天然石墨的采购。0%20%40%60%80%100%200192020人造石墨天然石墨其他产品图：负极材料出货量 图：负极

18、材料出货量占比 0.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%60.00%055200192020人造石墨（万吨，左）天然石墨（万吨，左）人造石墨YoY（右）天然石墨YoY（右）1.4 全球正负极材料需求测算12假设1：2025年新能源汽车销量由2020年312万辆提升至2500万辆，单车带电量提升至65kWh。假设2：2021-2025年期间消费锂电池需求量复合增速为10%，2025年需求达到148GWh。假设3：2021-2025年期间储能锂电池保持旺盛，2025年需求提升至达到421GWh。其他假设：产销比为1.25，单

19、GWh正负极材料用量分别约为0.22和0.11万吨（不同材料需求会有所差异）。2020E2021E2022E2023E2024E2025E新能源汽车销量（万辆）30020002500单车带电量（kWh）454655606065全球动力电池装车量（GWh）012001625动力YoY111%86%64%33%35%消费电池（GWh）92101.2111.3122.5134.7148.2消费YoY10%10%10%10%10%储能电池（GWh）273261117222421储能YoY20%90%90%90%90%合计2594297231139155621

20、94YoY23%65%68%58%37%41%产销比1.251.251.251.251.251.25锂电池合计产量（GWh）3245379033正极单位用量（万吨/GWh）0.220.220.220.220.220.22负极单位用量（万吨/GWh）0.110.110.110.110.110.11正极需求量（万吨）728603负极需求量（万吨）365999157214302表：全球锂电正负极材料需求测算 目录1 1锂电正负极材料介绍及需求测算锂电正负极材料介绍及需求测算正极材料生产工艺及关键设备2 2负极材料生产工艺及关键设备3 34 4受益标的受益标

21、的5 5风险提示风险提示13 正极材料常用方法：高温固相反应 正极材料生产线组成及国内设备市场规模 正极材料生产工艺流程及关键设备 不同正极材料具体工艺流程介绍2.1 正极材料常用工艺：高温固相反应在锂离子电池无机电极材料的制备中，最常使用的是高温固相反应。 高温固相反应：指包括固相物质的反应物在一定的温度下经过一段时间的反应，通过各种元素之间的相互扩散，发生化学反应，生成一定温度下结构最稳定的化合物的过程，包括固固相反应、固气相反应和固液相反应等。 即使是采用溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法和溶剂热法等，通常仍需要在较高的温度下进行固相反应或固相烧结。这是因为锂离子电池的工作原理要求其电极材料

22、能够反复地嵌入和脱出Li+，因此其晶格结构必须有足够的稳定性，这就要求活性材料的结晶度要高，晶体结构要规整。这是低温条件下很难达到的，因此目前实际所用的锂离子电池的电极材料基本上都是经过高温固相反应获得的。14图：不同升温速率下反应达到一定转化率时的温度资料来源： 锂离子电池正极材料原理、性能与生产工艺 ，华西证券研究所图：工业制备钴酸锂反应式在一定温度之上才能自发反应 注：温度越高，吉布斯自由能变化越负，自发反应趋势越明显。2.2 正极材料生产线组成及设备投资市场规模正极材料加工生产线主要包括配混系统、烧结系统、粉碎系统、水洗系统（仅高镍）、包装系统、粉体输送系统和智能化控制系统等。设备投资

23、额较高。以常州当升科技二期工程年产5万吨的高镍正极项目为例，其设备购置费约11亿元，其中辊道窑价值量占比接近36%。投料工序配混料工序装钵工序烧结工序粉碎工序除铁工序包装工序投料站配料秤装钵机窑炉粉碎机除铁器包装机15设备数量（台）投资额（万元）设备价值量占比吨包投料站731,237.351.14%精密称重系统501,412.501.30%犁刀混料机286,644.406.10%螺带混合机584,260.103.91%辊道窑3838,759.0035.57%外轨循环线309,661.508.87%旋轮磨20904.000.83%胶体磨482,278.082.09%气流粉碎系统226,712.2

24、06.16%搅拌罐8135.600.12%压滤机81,084.801.00%干燥机162,712.002.49%振动筛1202,712.002.49%电磁除铁器604,068.003.73%包装机351,977.501.81%气力输送系统706,039.855.54%仓顶除尘器60406.800.37%料仓破拱设备210689.300.63%车间收尘系统1502,702.962.48%料仓、旋转阀、安全筛等生产设备和检测设备14,564.8213.37%合计108,962.76100.00%表：常州当升二期5万吨/年高镍锂电池正极材料设备拟购置情况 设备数量（台）投资额（万元）设备价值量占比吨

25、包投料站22372.901.06%精密称重系统16452.001.28%高混机4949.202.69%犁刀混料机81898.405.38%螺带混合机201469.004.16%辊道窑1211526.0032.67%外轨循环线123864.6010.95%旋轮磨8361.601.02%胶体磨8379.681.08%气流粉碎系统61559.404.42%振动筛561139.043.23%电磁除铁器241627.204.61%包装机10565.001.60%气力输送系统242061.125.84%仓顶除尘器28189.840.54%料仓破拱设备52176.280.50%车间收尘系统561084.80

26、3.07%料仓、旋转阀、安全筛等生产设备和检测设备5604.8415.89%合计35280.90100.00%表：江苏当升2万吨/年钴酸锂正极材料设备拟购置情况 2.2 正极材料生产线组成及国内设备市场规模核心假设：1）磷酸铁锂凭借低成本、循环寿命长、安全性较高等优势，产量增速预计保持高速增长，三元材料其次。2）2021年由于产能供应紧张，产能利用率有所提升，假设65%。2022-2025年各品种产能利用率随着产能扩张我们预计会有所下降，假设分别为60%/55%/50%/50%；3）高镍三元锂设备投资额约2亿元/万吨，磷酸铁锂设备投资额约1.2亿元/万吨，钴酸锂设备投资额约1.7亿元/万吨，差

27、异较大。因此，为方便计算，暂不考虑品种，假设正极材料生产设备投资额为1.5亿元/万吨。测算结果：预计2021-2025年正极材料设备合计市场规模（不含前驱体生产设备市场规模）约811亿元。另外，前驱体生产设备投资额约1亿元/万吨，按照前驱体和正极材料约1:1对应关系，产能扩张节奏或与正极材料相似。因此，预计2021-2025年正极前驱体生产设备市场规模约406亿元。表：2021-2025年国内正极材料设备合计市场规模（不含前驱体生产设备市场规模）预计达到811亿元 注：2020和2021年正极材料数据来自ICC鑫椤资讯，2022-2025年正极材料产量数据来自观研天下预测，其余均为华西证券假设

28、及测算品种20202021E2022E2023E2024E2025E产量（万吨）钴酸锂7.3810.110.2311.2612.513.62三元2144.0556.9874.0795.22125.18磷酸铁锂14.245.9167.3287.52112.45147.9锰酸锂9.2911.1115.1520.1328.2135.64产量合计51.87111.17149.68192.98248.38322.34产能利用率50%65%60%55%50%50%产能（万吨）钴酸锂14.7615.5417.0520.4725.0027.24三元4267.7794.97134.67190.44250.36磷

29、酸铁锂28.470.63112.20159.13224.90295.80锰酸锂18.5817.0925.2536.6056.4271.28产能合计103.74171.03249.47350.87496.76644.68新增产能（万吨）67.2978.44101.41145.89147.92单万吨设备投资额（亿元）1.501.501.501.501.50正极材料设备市场规模（亿元）100.94117.65152.11218.83221.88162.3 正极材料生产工艺流程及关键设备：计量与配料系统锂离子电池正极材料在原料输送、储存、配料、混料、破碎粉磨、除尘以及包装等方面采用了称重计量作为工艺过

30、程中的检测与控制手段。称重计量的主要设备是电子衡器。应用场景：各种储存料仓的称重计量、配料过程中的定量称重、成品物料包装计量。目前工艺上采用的料仓称重、混合机称重系统、配料秤以及自动定量秤都是重力式装料衡器，它们的共同结构都是包含供料装置、称重计量、显示装置、控制装置以及具有产能统计和通信等功能。最后由中央控制将各部分连成一体，构成闭环自动控制系统。料仓称重系统：能够显示出整个料仓的空仓重量，又可以显示料仓内物料的净重。配料秤：是电池正极材料生产中关键设备，既要求每一种料有独立的定量值，又要求投入其中的料比例必须正确。17图：智能称重控制仪表的原理框架图 1粉碎料仓；2密相正压发送罐；3称重式

31、粉料料仓；4开袋投辅料站；5颚式破碎机；6双对辊破碎机；7，10暂存料仓；8文丘里管；9稀相负压输送；11配料秤；12振动输送机；软连接；空气阀； 称重传感器；表面涂覆特氟龙的料位开关；压力变送器图：某生产线中物料流程示意图 注：W代表称重装置，W1为以减量秤方式工作的料斗称重系统，W2、W3、W4为有多个重量预置点设定的，对上对下有联锁控制要求的料斗称重系统，W5为称重式稀相负压输送系统，W6为配料秤。2.3 正极材料生产工艺流程及关键设备：混合设备为了提高高温固相反应的速率与材料结构的均匀性，物料的均匀混合是必要条件。物料的混合分湿法混合与干法混合，湿法混合主要有搅拌球磨机和砂磨机，干法混

32、合主要有高速混合机、高效循环混合机和机械融合机等。18 图：主要混合设备示意图2.3 正极材料生产工艺流程及关键设备：混合设备19表：主要混合设备特点及应用 设备名称特点应用搅拌球磨机由一个装有小直径研磨介质（如氧化锆球）的筒体和一个搅拌装置组成，通过搅拌装置搅动研磨介质产生摩擦、剪切和冲击粉碎物料。主要应用于锂离子正极材料钴酸锂、磷酸铁锂高温固相合成前的物料球磨与混合。砂磨机是搅拌球磨机的改进型，以珠代球，即砂磨机中的研磨介质比搅拌球磨机中的研磨介质更小。主要应用于磷酸铁锂高温固相烧结前的物料的超细研磨与混合。斜式混料机克服了卧式干法球磨机在球磨混料过程中通常留有死角的缺点，经过斜式混料机混

33、合的物料不会因为团聚、物料的相对密度不一样而出现分层现象。主要应用于锰酸锂、三元系材料烧结前的混合。高速混合机在混合机底部设计一个搅拌叶片，通过叶片的高速旋转实现各种粉末物料的强力对流混合、扩散混合、剪断混合，从而快速混合均匀，一般混合时间为10-20min，对物料形貌不会有破坏性影响。主要应用于三元正极材料烧结前的混合。高速旋风式混合机能够确保混合均匀的终端产品和非常短的混合时间。主要应用于锰酸锂、三元材料烧结前物料的混合。机械融合精密混合机能使不同材料的成分颗粒之间进行复合化，降低产品的BET比表面积，让产品颗粒致密化。主要应用于磷酸铁锂材料与包覆碳的机械融合、高温固相烧结前的物料的精密深

34、度融合。2.3 正极材料生产工艺流程及关键设备：干燥设备当锂离子电池正极材料生产过程中采用湿法混料工艺时，经常遇到干燥问题，湿法混料所用溶剂不同，所采用的干燥工艺和设备也就不同。湿法混料工艺所用的溶剂目前主要有两种：非水溶剂即有机溶剂如乙醇、丙酮等；水溶剂。锂离子电池正极材料湿法混料的干燥设备主要有：真空回转干燥机、真空耙式干燥机、喷雾干燥机、真空带式干燥机。20表：主要干燥设备特点及应用资料来源： 锂离子电池正极材料原理、性能与生产工艺，华西证券研究所设备名称特点应用真空回转干燥机设备生产成本低，对环境无污染早期钴酸锂生产工艺采用酒精湿法球磨混料和双锥回转真空干燥机干燥。目前有些企业仍在使用

35、该设备进行干燥。磷酸铁锂生产工艺也有采用此设备进行烧结前的浆料干燥。真空耙式干燥机成品物料质量较佳，工作过程较稳定我国有些企业的磷酸铁锂生产工艺采用此种设备进行物料干燥并回收溶剂酒精。喷雾干燥机敞开式离心喷雾干燥干燥速度快产品具有良好的均匀度、流动性和溶解性，产品纯度高、质量好生产过程简化，操作控制方便目前国内许多生产锂离子电池正极材料磷酸铁锂的企业以磷酸铁和碳酸锂为原料，以纯水作分散介质，采用搅拌球磨和砂磨工艺后进行喷雾干燥，然后再进行氮气保护烧结。防爆型闭式喷雾干燥相比敞开式离心喷雾干燥，防爆型闭式喷雾干燥可以避免酒精燃烧爆炸的危险，但该设备价格昂贵，目前国内还不能生产。有些企业在锂离子电

36、池正极材料磷酸铁锂生产过程中，烧结前的物料采用酒精介质进行球磨混料，只能用防爆型闭式喷雾干燥。真空带式干燥机可以较好地解决生产过程中的粘壁现象可以进行完全的在线清洗，使得更换产品非常方便，保证了产品质量适用于黏性高、易洁团、热塑性、热敏性的物料。2.3 正极材料生产工艺流程及关键设备：烧结窑炉锂离子电池正极材料工业化生产通常采用高温固相烧结合成工艺，其核心关键设备是烧结窑炉。锂离子电池正极材料生产原料经均匀混合、干燥后装入窑炉进行烧结，然后从窑炉卸料后进入粉碎分级工序。对正极材料生产而言，窑炉的控温温度、温度均匀性、气氛控制与均匀性、连续性、产能、能耗和自动化程度等技术经济指标至关重要。目前用

37、于正极材料生产的主要烧结设备有推板窑、辊道窑、钟罩炉。烧结窑炉价值量较高，并以国外和合资品牌为主。以应用最广的辊道窑（负极材料生产也用此设备）为例，其价值量占产线比约30%-40%。德国萨克米、日本NGK、日本则武、日本高砂、广州中鹏、广州高砂、苏州汇科、湖南金炉、博涛机电、湖南新天力（天通股份）等厂家拥有窑炉生产制造能力。21表：主要烧结设备特点及应用资料来源： 锂离子电池正极材料原理、性能与生产工艺，华西证券研究所设备名称特点应用推板窑空气推板窑工艺稳定、产量大（连续性生产）、性价比高。温度与气氛分布均匀性差，推进阻力大，设备长度不宜太长。在锂离子电池正极材料生产过程中，特别是在早期的烧结

38、设备中，推板窑占有绝对的主导地位。目前已经不占主导地位。气氛推板窑辊道窑空气窑采用滚动摩擦工进，在窑炉长度上不会受到推进力的影响，理论上可以做到无限长度。烧制产品时一致性更好，更利于炉内气流的运动和产品的排水排胶等。辊道窑在锂离子电池正极材料的烧结设备中占据至关重要的地位，是替代推板窑真正实现大规模生产的首选设备。目前锂离子电池正极材料钴酸锂、三元、锰酸锂等均采用空气辊道窑进行烧结，而磷酸铁锂采用氮气保护的辊道窑进行烧结，NCA则采用氧气保护的辊道窑进行烧结。气氛窑钟罩炉与隧道式推板窑或辊道窑相比，其操作使用更加灵活、控制精度更高，特别适合于各种新材料的研发、送样，中小批次产品的烧结。各种新材

39、料越来越倾向高档次、小批量和多品种，并且要求交货周期短、一致性好，因此钟罩炉应运而生。目前有少数厂家或实验室用钟罩炉来生产磷酸铁锂。2.3 正极材料生产工艺流程及关键设备：烧结窑炉辊道窑是一种连续式加热烧结的中型隧道窑。按照炉体氛围，同推板窑一样，辊道窑也分为空气窑和气氛窑。 空气窑：主要用于锰酸锂材料、钴酸锂材料、三元材料等需要氧化性气氛的材料烧结； 气氛窑：主要用于NCA三元材料、磷酸铁锂（LFP）材料、石墨负极材料等需要气氛（如N2或O2）气体保护的烧结材料。22 图：辊道窑原理图及实物图辊道窑工作曲线及原理图空气辊道窑气氛保护密封辊道窑2.3 正极材料生产工艺流程及关键设备：烧结窑炉辊

40、道窑采用滚动摩擦工进，因此在窑炉长度上不会受到推进力的影响，理论上可以做到无限长度，而窑腔结构的特色，烧制产品时一致性更好，大窑腔结构更利于炉内气流的运动和产品的排水排胶等，是替代推板窑真正实现大规模生产的首选设备。目前锂离子电池正极材料钴酸锂、三元、锰酸锂等均采用空气辊道窑进行烧结，而磷酸铁锂采用氮气保护的辊道窑进行烧结，NCA则采用氧气保护的辊道窑进行烧结。23表：辊道窑和推板窑的主要区别资料来源： 锂离子电池正极材料原理、性能与生产工艺，华西证券研究所区别产品工进方式推板窑是间歇性工进，辊道窑是连续性工进。推进动力推板窑是通过液压或丝杆推进，而辊道窑是通过减速电机驱动链条或齿轮来带动辊筒

41、滚动，一个属于滑动摩擦，一个属于滚动摩擦。窑腔大小结构相比推板窑而言，辊道窑是大窑腔，宽截面，在窑腔内布置有若干挡火墙，便于温度、压力及气氛的调控和稳定。窑炉耗材辊道窑直接将匣钵或垫板放置在辊棒上滚动工进，较推板窑减少了推板的损耗。2.3 正极材料生产工艺流程及关键设备：粉碎与分级设备经过高温烧结工序出来的半成品一般需要经过粉碎分级才能达到产品标准，不同的正极材料烧结温度不同，有些材料由于烧结温度较高，结块比较严重，需要进行不同级别的粉碎，如需要颚式破碎、辊式破碎和超细粉碎等，主要涉及到的设备有颚式破碎机、辊式破碎机、旋轮磨、高速机械冲击式粉碎机和气流粉碎机。24表：主要粉碎与分级设备特点及应

42、用资料来源： 锂离子电池正极材料原理、性能与生产工艺，华西证券研究所设备名称特点应用颚式破碎机结构简单，制造容易，工作可靠。用于锂离子电池正极材料的颚式破碎机一般均是小型机，要求与物料接触的部件采用陶瓷材料如氧化铝刚玉或氧化锆陶瓷制成。广泛应用于矿山冶炼、建材、公路、铁路、水利和化工等行业中各种矿 石与大块物料的破碎。辊式破碎机一般经过辊式破碎可以将锂离子电池正极材料的粒度破碎至1mm以下。目前用于锂离子电池正极材料的对辊式破碎机的辊子表面都衬有氧化铝或氧化锆陶瓷，其他凡是与物料接触的地方均有四氟涂层或其他非金属涂层，以防带进金属磁性异物。锂离子电池正极材料经过颚式破碎后粒度仍太粗，需要通过辊

43、式破碎将粒度破碎至1mm以下才能进入后续超微粉碎。旋轮磨鄂式破碎与辊式破碎的组合。进料粒度大，出料粒度均匀，产量高，无金属离子污染。自动化程度高，无粉尘污染。占地面积小，能耗低。基本无噪声。高温烧结后的锂离子电池正极材料半成品经过颚式破碎和辊式破碎后才能进入超微粉碎工序。旋轮磨的功能相当于颚式破碎与辊式破碎之组合。高速机械冲击式粉碎机是利用围绕水平或直轴高速旋转的回转体(棒、锤、板等)对物料以猛烈的冲击，使其与固定体碰撞或颗粒之间冲击碰撞，从而使物料粉碎的一种超细粉碎设备。单位功率粉碎比大，易于调节粉碎粒度，应用范围广，机械安装占地面积小，且可连续闭路粉碎。广泛应用在化工、建建材、矿业、农药、

44、食品、医药和非金属等工业中粉碎中等硬度物料。近年来其广泛用于锂离子电池正极材料如三元材料、锰酸锂、磷酸铁锂等的粉碎。气流粉碎机是利用高速气流(3001200m/s)喷出时形成的强烈多相紊流场使其中的颗粒自撞、摩擦或与设备内壁碰撞、摩擦而引起颗粒粉碎的一种超细粉碎设备。产品细度可达125m可调，粒度分布较窄、颗粒表面光滑、颗粒形状规则、分散性好。产品受污染少。适合粉碎低熔点和热敏性材料及生物活动制品。生产过程连续，生产能力大，自控、自动化程度高。锂离子电池正极材料钴酸锂由于硬度比较大，用高速机械冲击式粉碎机时，对粉碎盘和分级叶轮磨损大，一般 采用气流粉碎机进行粉碎。2.3 正极材料生产工艺流程及

45、关键设备：合批设备尽管在锂离子电池正极材料生产过程中采取了严格品管手段，但为了保证产品的一致性，对不同批次生产的产品进行合批，合成一个大批次，使同一个大批次的产品均匀化。目前普遍采用大型混合机进行混合合批处理，主要有双螺旋锥形混合机和卧式螺带混合机。25表：主要合批设备特点及应用资料来源： 锂离子电池正极材料原理、性能与生产工艺，华西证券研究所设备名称示意图特点应用双螺旋锥型混合机设备通过螺旋的公、自转使物料反复提升，在锥体内产生剪切、对流、扩散等复合运动，从而达到混合的目的。目前大部分锂离子电池正极材料厂家选择双螺旋锥形混合机进行混合合批。1喷液器；2主减速器；3减速器；4电机；5减速机；6

46、传动头；7转臂；8传动箱；9锥体；10螺旋；11出料阀；12主电机卧式螺带混合机设备采用底部出料方式：粉体物料采用气动大开门结构形式，具有卸料快、无残余等优点。有些厂家由于厂房高度的原因，会放弃双螺旋锥形混合机而改用卧式螺带混合机。2.3 正极材料生产工艺流程及关键设备：除铁设备由于微量单质铁在正极材料中的分布是极不均匀的，有时带有很大的偶然性，所以为了确保产品的品质，目前在产品最后进入包装工序之前要加一套除铁工序。磁选法尤其是电磁选法效率高、成本低、弃铁简单易行而被普遍采用。目前国内生产的电磁除铁机难以满足要求，通常从日本和韩国进口。26 图：电磁除铁机原理图及实物图电磁除铁机原理图电磁除铁

47、机图纸与实物照片2.3 正极材料生产工艺流程及关键设备：包装计量设备为了防止在储存和周转过程中材料受到外界的污染，成品粉料制备完成后应尽快装袋、计量和密封保存，为了在周转过程中对其外包装进行保护还需装桶或装箱并做好信息的贴标和记录登记。用于锂离子电池材料包装计量设备的种类有自动上袋设备、热合封口机、贴标与喷墨打印、自动码垛机和缠包机。27 图：自动化包装线上的配套设备2.4 不同正极材料具体工艺流程介绍：磷酸铁锂磷酸铁锂价格低廉、对环境友好、安全性能较高、高温性能较好，使其已形成了较广泛的市场应用。但其能量密度较低、低温性能较差，目前主要使用在商用车（客车）领域，在下游乘用车动力电池领域的应用

48、不及能量密度更高的三元正极材料。随着比亚迪刀片电池推广，磷酸铁锂应用市场或打开。磷酸铁锂粉体的制备在一定程度上会影响其作为正极材料的性能。目前制备磷酸铁锂的方法较多，如高温固相反应法、碳热还原法以及尚末规模化（或实验室研究阶段）的水热法、喷雾热解法、溶胶-凝胶法、共沉淀法等。目前，磷酸铁锂生产线设备投资额（不含前驱体）大致为1亿元/万吨（不同厂家投资额有所差异）。28 整理图：高温固相法制备磷酸铁锂 整理图：碳热还原法制备磷酸铁锂（与高温固相法结合）铁源、锂源、磷源共混干燥300-350烧结冷却600-800烧结磷酸铁锂铁源、锂源、磷源共混干燥300-350烧结冷却粉碎加碳源600-800烧结

49、磷酸铁锂热还原法是在原材料混合中加入碳源（淀粉、蔗糖等）做还原剂，通常和高温固相法一起使用，碳源在高温煅烧中可以将Fe3+ 还原为Fe2+ ，避免了反应过程中Fe2+变成Fe3+，使合成过程更加合理，但是反应时间相对较长，对条件的控制更为严苛。2.4 不同正极材料具体工艺流程介绍：三元材料正极材料采用了包含镍、钴、锰（或铝）三种金属元素的三元聚合物，其中镍钴锰三元体NCM，镍钴铝三元体为NCA。三元材料优点就在于能量密度高、成本相对较、低循环性能优异，是目前量产的正极材料中潜力最大的一种。NCM三元发展趋势是高镍化。三元正极材料主要是通过提高镍含量、充电电压上限和压实密度使其能量密度不断提升，

50、高镍正极通常指镍相对含量在0.6（含）以上的材料型号。因此，就能量密度而言，NCANCM811NCM622NCM523NCM333。三元材料生产以氢氧化镍钴锰、碳酸锂及其他掺杂元素为原料，进行配料、混合、烧结、粉碎、合批、筛分、除铁、包装等工序。目前，三元材料生产线设备投资额（不含前驱体）大致为1.5-2亿元/万吨（高镍三元投资额较大）。29 表：三元材料生产工序所使用设备工序使用设备计量配料与混合工序计量配料工序采用自动计量与配料设备；混合工序采用干法混合设备，目前有两种工艺，一种是采用高效混合机，一种是采用干法球磨机。烧结工序目前生产普遍采用辊道窑。三元材料的合成反应必须采用氧化气氛。粉碎