锂离子电池电极材料包覆项目的产业化

1、商业计划书锂离子电池电极材料包覆项目的产业化本项目的基本运作模式是， 外购已经实现产业化的锂离子电池电极材料，对其进行包覆，大幅度地提高其循环寿命，然后再外销。项目的投资小、风险小，市场进入的难度小。从原 料到产品，成本增加约 1%，而循环寿命增加 510倍；因此，利润十分可观。本项目现在已经可以把炭负极材料的循环寿命从1千次提高的到1万次以上，把磷酸铁锂正极材料的循环寿命从 2千次提高到1万次以上。如果锂离子电池生产厂家使用我们的产 品，将会大幅度提高电池的循环寿命，最低5倍以上；因此，经济效益是很可观的。本项目预期将首先实现炭负极材料包覆项目的产业化，然后根据市场情况，再实现其它电极材料包

2、覆项目的产业化。本项目预计将投资1千万元建成年产1千吨炭负极材料的生产线， 也可以先投资2百万 元建成年产1百吨炭负极材料的试生产线。1. 基本原理参见图1，锂离子电池是一种可充电电池，主要由正极、电解质和负极三部分组成。疋槻制料电解质负扱材扫图1.锂离子电池原理图1.1电极材料的颗粒结构参见图2,原始的正极材料一般是粒径在5m左右的粉末状颗粒，负极材料一般是粒径在20 ym左右的粉末状颗粒。 生产电池时，用粘合剂把把这些粉末状颗粒粘附在导电基底材料上，形成约几十微米厚的涂层。常用的正极基底材料是铝箔，负极基底材料是铜箔。图2.炭负极材料颗粒的显微相片1.2颗粒结构的坍塌参见图1,电池在充电时

3、，锂离子从正极材料的颗粒结构中脱出，经过电解液，然后嵌入到负极材料的颗粒中；放电时，则反过来，锂离子从负极颗粒中脱出，经过电解液，然后嵌入到正极材料的颗粒中。形象地看，这类似于打秋千”。锂离子的半径为 0.7?，是金属离子中最小的，但仍然具有一定的体积。因此，当锂离子从电极材料的颗粒中脱出时， 颗粒的体积将会有一定程度的收缩；而当锂离子嵌入到电池材料的颗粒中时，颗粒的体积 将会有一定程度的膨胀。例如，当锂离子嵌入到炭负极材料中时，炭负极材料的颗粒体积 将会膨胀约8.8% ;而当锂离子从磷酸铁锂正极材料中脱出时，该正极材料的颗粒体积将会收缩约6.6%。电极材料颗粒在充放电过程中反复膨胀和收缩后，

4、其颗粒结构将会逐步坍塌，也就是说，原来的一个颗粒会变成几个更小的颗粒。但这些新产生的小颗粒之间并没有粘合剂来 把它们粘结在一起，于是就有可能从涂层中脱落，不再参与充放电反应，从而使得电池的 容量逐渐下降。1.3循环寿命一般认为，当电池容量降到某一规定值之前，能反复充放电的次数称为电池的循环寿命国家标准 规定的锂离子电池循环寿命测试条件及要求是：在环境温度20C 5C的条件下,以1C电流充电；当电池端电压达到充电限制电压4.2V时，改为恒压充电；直到充电电流小于或等于1/20C，停止充电；搁置 0.5h1h，然后以1C电流放电至终止电压 2.75V ;放电结束后，搁置0.5h1h，再进行下一个充

5、放电循环，直至连续两次放电时间小于36min，则认为寿命终止；循环次数必须大于300次。相应地也可以定义正极材料和负极材料的循环寿命。一般认为，但电极材料的容量下降到首次容量的80%时的循环次数为该材料的循环寿命。显然，如果想提高电池的循环寿命， 首先要设法提高正极材料和负极材料的循环寿命。现在一般认为，炭负极材料的循环寿命约为1千次，磷酸铁锂正极材料的循环寿命是2千次，三元正极材料的循环寿命是1千次，钴酸锂正极材料的循环寿命是5百次。虽然钛酸锂负极材料的循环寿命可以达到1万次以上，但该材料的对锂电位高达1.5V，使得用该负极材料构造的电池的输出电压很低，只有约2V ;而与之对照，炭负极材料的

6、对锂电位是0.2V，很低，用炭负极材料构造的电池的输出电压大于3V。总之，延长锂离子电池的循环寿命是锂离子电池的发展方向之一，而提高电极材料循环寿命是提高电池循环寿命的前提。目前业界普遍希望能开发出像钛酸锂材料那样具有上万次 循环寿命的电极材料。1.4包覆方法对电极材料的原始粉末状颗粒材料进行包覆，这是材料生产工艺中早已有的方法。一般是在材料的颗粒表面包覆一层硬炭。实践证明，这样包覆后，可以把炭负极材料的循环寿命提高到1千次，否则会很低。对磷酸铁锂正极材料，这样包覆的主要效果是提高导电性。锰酸锂也是一种锂离子电池正极材料，但容量衰减很快。文献中一般也是采用包覆的方法来改善其循环性能。尝试过包覆

7、物质有：氧化铝、氧化硅、碳酸盐、氧化棚锂、氧化钴锂 等。包覆方法的难点在于：如何均匀地让包覆物质覆盖在颗粒表面，形成一层均匀完整的膜。本项目工作是在借鉴相关文献的基础上开发出来的。2. 生产流程从而把颗粒捆牢，降低其在包覆上的物质量控制在电1%以下，不显著。本项目设想的是在材料的颗粒表面包覆一层渔网状的物质, 充放电循环中崩塌的速度， 进而提高电极材料和电池的循环寿命。极材料的1%以下；这样因包覆而降低材料的充放电容量最多在2.1工艺流程本项目包覆方法的工艺流程参见图3。工艺很简单，由以下三步组成1）包覆：在水性体系中，让包覆剂附着在电极材料的颗粒表面。2）分离：用离心过滤的方法，分离固体物料

8、和水溶液。3）烘干：在烘箱把固体物料烘干，得到产品。粉末材料去离子水发生器反应釜离心过滤机固体严品包覆剂图3.工艺流程图2.2设备所需的生产设备主要有 4个，包括去离子水发生器、反应釜、离心过滤机和烘箱， 都是常用的化工设备。另外还需要建立分析实验室，所需设备主要包括手套箱和充放电测试仪。2.3三废本项目没有三废产生，离心分离后滤出的水可以不经处理直接循环使用。2.4效果本项目只是对外购的电极材料进行包覆，没有改变材料本身的颗粒结构；因此，除了可以增加循环性能外，对材料原有的充放电性能没有其它影响。在测试所包覆电极材料的性能时，采用对照的方法。将包覆好的炭负极材料、 包覆好的磷酸铁锂正极材料、

9、未包覆的炭负极材料、未包覆的磷酸铁锂正极材料，组合起来做成4种磷酸铁锂电池，然后在同等条件下测试电池的充放电性能。分别在高倍率和低倍率下测试，然后分析所得测试数据；以未包覆炭负极材料循环寿命为1千次和未包覆磷酸铁锂正极材料循环寿命为2千次为基准，估算包覆后炭负极材料和包覆后磷酸铁锂正极材料的循环寿命。经估算，包覆后炭负极材料的循环寿命可以达到1.6万次，保守估计为1万次以上；包覆后磷酸铁锂正极材料的循环寿命为1.2万次，保守估计为1万次以上。可以预期，如果采用本项目的包覆技术，将可以把磷酸铁锂电池的寿命提高到1万次以 上，是现有2千次循环寿命的5倍。3. 投资效益分析预计首先包覆炭负极材料。待

10、在市场中站稳后， 再考虑包覆其它电极材料，例如磷酸铁锂正极材料、三元正极材料等。3.1产值假设建设年产1千吨炭负极材料的生产线，扣除节假日和设备检修，按照每年200天计，则应该日产5吨。按照外购原料炭负极材料 3万元/吨，包覆后的炭负极材料按照最低售价 4万 元/吨计，则全年新增的产值应该是 1千万元。目前钛酸锂负极材料的市场价是8万元/吨。钛酸锂的理论容量是 175mAh/g，实际容量一般大于150mAh/g ；而炭负极材料的理论容量是 372mAh/g，实际容量大于340mAh/g。因此， 只要包覆后炭负极材料的循环寿命能够与钛酸锂相当，大于1万次，则产品的市场价应该也可以与钛酸锂相当。这

11、就要看市场销售人员的能力了。如果按照8万元/吨计，则全年新增的产值应该是5千万元。3.2设备及能耗以下按照年产1千吨炭负极材料的生产线计算所需生产设备，并按照2元/度计算能耗。需要1台50m3的铝合金反应釜（不需要加热），价值 50万元；如果按10年折旧，则每年 的成本是5万元。电机功率为40kW，每天运行时间约5小时，耗电20度，价值40元。全年用 电需8万兀。需要1台离心过滤机，约价值10万元；如果按10年折旧，则每年的成本是1万元。电机功 率为20kW，每天运行时间为0.5小时，耗电10度，价值20元。全年用电需0.4万元。需要1台干燥箱，容积5m3,价值50万元；如果按10年折旧，则每

12、年的成本是 5万元。功 率为30kW，每天运行20小时，耗电600度，价值1200元。全年用电需24万元。需要1台日产1m3的去离子水机，价值2万元；如果按10年折旧，则每年的成本是0.2万元。 功率为0.5kW，每天工作20小时，耗电1度，价值20元。每天消耗自来水1m3，按照自来水3 元/m3的价格计，价值3元。全年水电消耗需0.46万元。合计生产设备投资成本为112万元；如果按10年折旧，则每年的成本是 11.2万元。全年水电消耗约需33万元。如果要开发除炭负极材料和磷酸铁锂材料以外的新材料，这还需要建立分析实验室，需要购买手套箱、充放电测试仪等设备，估计需要30万元。3.3厂房建设1台

13、50m3的反应釜需要占用约 50m2的厂房。1台离心过滤机需要占用约 50m2的厂房。1 台5m3干燥箱需要占用约50m2的厂房。1台去离子水机和储水池需要占用约 50m2的厂房。这 些设备合计需要200m2的厂房。另外，维修车间需要 50m2的厂房，库房需要100m2的厂房，办公室需要100m2的厂房， 分析实验室需要100m2的厂房；这里合计需要 250m2的厂房。以上合计需要450m2的厂房。按照5元/天/m2的租金估算，全年约需要 82万元。厂房和办公室装修估计需要 100万元。办公用品和实验器材购置需要约100万元。以上合计需要约282万元。3.4原料消耗按照每月加工100吨炭负极材

14、料、外购价 3万元/吨计，需要流动资金300万元。包覆100吨炭负极材料，需要1吨包覆剂，市场价为6万元/吨，需要流动资金6万元。3.5人工和办公成本操作1台反应釜，需要员工2人。操作1台离心过滤机，需要员工 2人。操作1台干燥箱， 需要员工2人。操作1台去离子水机，需要员工 2人。另外需要电工1人，机修工1人，清洁工2 人。合计需要工人12人。需要财务2人，质检2人，销售3人，保安3人，库管2人，司机1人，采购1人，文员2人， 管理4人。合计办公人员20人。共计需要人员32人。按照每人每年5万元的工资、福利和办公费用计，共需160万元。假设全年销售和广告费用为 100万元。以上合计为260万

15、元。3.6总计按照1年的员工、办公费用计，再加上采购设备、装修费用和流动资金，总计第一年支 出接近1千万元。这相当于最保守估计的1年的产值。3.7低风险的情况初期如果想尽量减少投资风险，可以先建一条年产量100吨的小型生产线，也即只购买1 台5m3反应釜、1台小型离心过滤机（2kW ）和1台0.5m3烘箱。外购去离子水。这样设备投资 为20万元，。另外需要4名工人和6名办公人员，合计10人，全年需人头费50万元。全年厂房 租金估计20万元，装修和办公费用 110万元。合计需要200万元。这样如果按照4万元/吨的售价计，全年保守的新增产值是100万元。但如果按照8万元/吨的售价计，这全年新增产值是 500万元；也有很大的利润空间。4. 建厂计划按照年产1千吨设计，计划半年内完成以上生产线的建设。计划如下1）第一个月内，完成厂房的装修和水电的安装。2）第一和第二个月内，签订生产设备的采购合同。同时完成工人的招聘和培训。3）第三个月和第四个月完成设备的安装和调试。同时完成原料的采购。4）第五个月和第六个