深圳吉美瑞——过程强化连续流系统合成钠电正极材料

4月26日，深圳吉美瑞受邀参加2023钠电池产业发展技术论坛，技术总监万军喜发表《过程强化连续流系统合成钠电正极材料》的演讲，会上，深圳吉美瑞技术总监万军喜首先向我们介绍了过程强化技术，技术、工艺、设备、材料四位一体，接着介绍了过程强化连续流装备的研制，之后列举了一个案例，过程强化连续流生产纳米磷酸铁的实践。

在材料制备过程中，有液相法和固相法两大类。造锂电材料里，三元前躯体、磷酸铁、磷酸锰铁，和钠电材料里层状氧化物、普鲁士蓝等都是用液相法来制备。液相法具有化学组分均匀、尺寸可达纳米级、形貌可控以及掺杂容易等多种优势，成为了工业上广泛采用的方法。

工业生产中产品的稳定性和可控性是企业生存的核心要素，如何缩短流程、稳定工艺、高效的制备出性能稳定可控的材料一直是科学界和工业界追求的方向，也是规模化工业生产“卡脖子”难题。那么来看一下釜式反应的技术路线，前面是溶液前处理及暂存，后面就是共沉淀反应及陈化反应。这种方法目前来看还都不是非连续性生产，是一种间歇式反应生产。后面会介绍到工业上采用的生产方法——三传一反，这里有一个放大效应。

做磷酸铁的最大的反应斧可以做到 500 个立方，一次就做几十吨，一次反应七八个小时，这期间要符合每一釜之间的稳定性和批次的一致性，就是比较难控制的了。

那么从科学和工程两个角度来思考一下这个问题。认为制备方法决定材料性能，定生死；制备工艺决定生产成本规模，决定成败；仪器设备决定工艺稳定可靠，是关键。在设备选择上有这么一个观点：设备适用是最关键的。

湿化学法制备的粉体材料技术现状，首先有形核与生长的问题，在溶液中产生纳米材料，基本都是溶于水之后在溶液体系中得到沉淀，颗粒从无到有，就有长大的问题。第二个是装备与生产的问题，与前面提到的放大效应有直接关联，也就是设备在不断提升容积，通过容积的放大来实现生产的批量化，这样需保证在小的体积里的供应参数要 落实到大的体积里，比较有难度。第三个是团聚与分散的问题，能不能真正实现纳米化，在实际生产过程中则要防止团聚，和在应用时将其分散开。

传统反应釜有什么生产问题？首先来说就是形核和生长不可控，无序搅拌混合，导致形核、不均匀生长、团聚等过程同时存在；第二个是能耗高，较长的反应时间导致能耗高，容易产生副反应，影响产物品质；第三个是容易造成团聚，反应釜的搅拌混合分散强度低，反应产物易团聚；第四个是反应效率低，反应混合过程很难稳定控制传质和传热过程，导致反应不可控。

怎么解决这些问题呢？那就是要转变思维改变传统方式，通过方法创新促进材料开发。现在考察三个当面的改变，一是混合方式的改变，要充分混合；第二是改变投料方式，提倡连续反应。投料的时候会影响黏度，反过来说透亮过程、投料时机、投料量的多少对最终产物的稳定一致性有很大影响；第三个是改变反应方式，要过程强化。过程强化技术，实际上是利用现有的一些新手段，通过把设备的体系减小化、多种工艺来实现整个生产的稳定性、可控性。工艺是技术的体现形式，材料是由工艺做出来的，设备是保障工艺的工具，要将技术、工艺、设备、材料四位一体总体考虑。

在装备开发理念中提出了四化，第一个是连续化，要改变原来化学材料合成过程间歇式生产过程，采用连续化生产方式，这有利于量产，同时实现产品的稳定和可控。第二个是小型化，占地面积减少，土地成本降低，生产能力更高，单位加工面积可以加工更多的产品。第三个是模块化，模块设计让设备更加灵活，设备可以组合使用，也可以单独使用。第四是智能化，关键生产工序和控制步骤采用在线监控、智能控制，提高生产的自动化程度，提高产品质量的可控性和稳定性。

在这种理念下，吉美瑞通过模块化做了一些设备，提出设计制造最合适的设备来满足材料生产的最佳供应参数。基于这一理念，吉美瑞做了一些小视线和中视线小型设备，千吨级的设备也做了几两条。

第一个就是我们从混合的角度来说，能够很快地实现它很好的一个充分混合。第二个方面就是采用连续化的反应方式，能够达到常规反应器的一个规模化的水平。第三个就是我们在整个过程中从空间上把形核和生长这两个阶段进行了分割，不是在同一个空间的。

这种反应的路思路有一定的通用性，可以很方便地利用模块化的组合来适应不同的反应和反应类型，所以它的技术路线灵活，这是一个优势。

吉美瑞正在做层氧、磷酸铁（有一个3000吨的产线）、磷酸铁锂，从图片上可以看出整体的产品颗粒尺度非常均匀；另外还做了一些共沉淀法下的产品，和其他一些纳米材料。它们有稳定的纳米形貌，颗粒大小均匀一致；容易放大，批次稳定性好；反应效率高，数分钟即可完成纳米材料的合成制备，大大缩短了时间成本等优点。

原文始发于微信公众号（艾邦钠电网）：深圳吉美瑞——过程强化连续流系统合成钠电正极材料