锂电正负极材料设备研究框架

1、常用方法： 高温固相反应整形造粒反应釜连续性造粒设备球磨机等预处理真空上料机气流磨旋风除尘器混料混料机包覆连续性反应釜混料筛分混料机三元次振动筛设备超微整形机石墨化石墨化炉计量包装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

2、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 例三元高镍化磷酸铁锂和 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2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

3、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

4、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，

5、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锂电正负极材料介绍及需求测算目录123454负极材料生产工艺及关键设备受益标的 风险提示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正极材料生产工艺及关键设备1.1 锂

6、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%。资

7、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35%12%12%13%13%图：锂离子原理图图：锂离子电池成本构成2%13%正极负极隔膜 电解液 铜铝箔 结构件 其他51.2 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

8、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。表：锂离子电池正极材料比较61.2 正极材料：磷酸铁锂和三元并驾齐驱磷酸铁锂和三元材料各有优势。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。图：2021年国内动力电池装机量分析（kWh，按电池类型）30,000,00025,000,00020,000,00015,000,00010,000,0005,000,0000三元磷酸铁锂锰酸锂钛酸锂其它71.2 正

9、极材料：磷酸铁锂和三元并驾齐驱8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。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

10、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

11、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23.4644.0556.9874.07125.18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

12、.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。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

13、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500-70080%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 料碳材料石墨化碳无定形碳天然石墨复合石墨 人造石墨中间相碳微球 硬碳软碳石墨烯非碳材料硅碳复合材料碳纳米材料钛基材料锡基材料 硅基材料 氮化物91.3 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

14、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

15、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

16、1.3 负极材料：人造石墨负极占比不断提升根据高工锂电数据，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

17、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%201720202016人造石墨2018天然石墨2019其他产品0.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%051015202530图：负极材料出货量图：负极材料出货量占比3560.00%100%201620172018人造石墨（万吨，左） 人造石墨YoY（右）20192020天然石墨（万吨，左） 天然石墨YoY（右）111.4 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，

18、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）3126501000150020002500单车带电量（kWh）454655606065全球动力电池装车量（GWh）14029655090012001625动力YoY111%86%64%33%

19、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259429723113915562194YoY23%65%68%58%37%41%产销比1.251.251.251.251.251.25锂电池合计产量（GWh）324537903142419452743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）72118199

20、313428603负极需求量（万吨）365999157214302表：全球锂电正负极材料需求测算注：表中测算未考虑二轮车、三轮车、工程机械、电动工具等对锂电的需求目录1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负极材料生产工艺及关键设备34受益标的5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14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

21、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。图：工业制备钴酸锂反应式在一定温度之上才能自发反应图：不同升温速率下反应达到一

22、定转化率时的温度注：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28

23、6,644.406.10%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226,712.206.16%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

24、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

25、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561084.803.07%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

26、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

27、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51.87

28、111.17149.68192.98248.38322.34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.

29、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17振动输送机；关；1粉碎料仓；2密相正压发送罐；3称重式粉料料仓；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软连接；空气阀称重传 感器表面涂覆特氟龙的料位开压力变送器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

30、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。图：智能称重控制仪表的原理框架图图：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

31、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，干法混合主要有高速混合机、高效循环混合机和 机械融合机等。图：主要混合设备示意图182.3 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

32、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 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 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

33、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。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

34、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

35、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。202.3 正极材料生产工艺流程及关键设备：烧结窑炉21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

36、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。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

37、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

38、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

39、）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。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222.3 正极材料生产工艺流程及关键设备：烧结窑炉23辊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。表：辊道窑和推板窑的主要区

40、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24经过高温烧结工序出来的半成品一般需

41、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。表：主要粉碎与分级设备特点及应用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

42、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

43、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、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

44、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。表：主要合批设备特点及应用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

45、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。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252.3 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

46、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。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机图纸与实物照片262.3 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、

47、自动码垛机和缠包机。图：自动化包装线上的配套设备272.4 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

48、含前驱体）大致为1亿元/万吨（不同厂家投资额有所差异）。整理整理图：高温固相法制备磷酸铁锂图：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。282.4 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

49、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，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

50、.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。粉碎分级工序目前采用旋轮磨替代鄂式破碎和辊式破碎，破碎颗粒粒度一般可以 在1mm以下，然后可以直接进行超细粉碎；超细粉碎一般采用气流粉碎和机械粉碎机。合批工序目前合批工序使用的设备主要有双螺旋锥形混合机和卧式螺带混合 机。除铁工序目前采用高磁场强度的电磁除铁器除铁。包装工序早期采用普通的真空包装机，

51、目前规模企业均采用自动化的粉体包 装机。NCM333NCM523NCM622NCM811NCA电池模组能 量密度150Wh/kg165Wh/kg180Wh/kg200Wh/kg200Wh/kg安全性良好较好较好达标达标瓦时成本高低中低低优点倍率性能好 安全 性好综合性能好工 艺成熟容量相对较高容量高、循环性 能较好容量高，倍率性 能好缺点能量密度低 成本 较高能量密度低成本较高工艺复杂，加工 难度大工艺复杂，加工 难度大电池产品相 关影响安全性较好，但 容量较低且成本 较高，目前用量 较少性能、成本、 量产性上有较 好平衡，广泛 用于数 码和车 用电池能量密度较髙 但成本较高， 应用于高端车具

52、有最高的能量密度、较低的综合 成本,对电池企业的 生产技术和设 备要求较高，用于高端车用电池表：高镍正极材料分类对比2.4 不同正极材料具体工艺流程介绍：三元材料高镍NCM在生产上比常规NCM材料有更高的要求：高镍三元正极材料由于氧化性较强，需要掺杂包覆做产品改性才能使用，掺杂包覆元素的选择以 及分布的均匀性，依赖生产厂商的技术工艺及生产设备。在原材料方面，对于常规三元正极材料，一般采用碳酸锂作为锂源材料。高镍三元材料需要更高的能量密度、更好的充放电性能，普遍采用氢氧化锂作为锂源材料。在生产设备方面，高镍三元材料尤其容易产生金属离子混排问题（不同金属离子混合占位，对于 材料的首次效率、可逆容量

53、、循环性能等电化学性能造成不利影响），需要尽量消除，因而需要 在纯氧环境中生产，所以高镍产品的烧结需要氧气炉，而常规三元只需使用空气炉。在生产环境方面，高镍三元材料对于湿度要求更高，一般需要专用除湿、通风设备。在磁性物控制方面，高镍三元材料也有更高要求，往往需要对厂房设施进行特定改造。图：高镍三元与常规三元工艺流程对比投 料混 料、 装 钵一 次 烧 结粗 碎、 细 碎筛 分包 覆装 钵二 次 煅 烧筛 分除 铁批 混 包 装成 品氢氧化镍钴锰 碳酸锂空气包覆剂空气投 料混 料、 装 钵一 次 烧 结粗 碎、 细 碎二批洗脱干包装次筛除混成涤水燥覆钵煅 烧分铁包 装品去离子水包覆剂氧气氢氧化镍

54、钴锰 氢氧化锂氧气常 规 正 极 材 料高 镍 正 极 材 料302.4 不同正极材料具体工艺流程介绍：三元材料NCA（锂源通常采用氢氧化锂，非碳酸锂）工艺与高镍NCM生产工艺相似，也是经过计量配料、混合、烧结、粉碎分级、合批、除铁、包装等工序。目前国内外主要NCA生产企业通常采用的技术路线有 如下3种：1）先制备Ni1-xCox(OH)2，然后在Ni1-xCox(OH)2表面包覆Al(OH)3，最后与Li盐混合烧结制 备NCA正极材料；2）直接采用Ni、Co、Al盐共沉淀制备Ni1-x-yCoxAly(OH)2，然后与Li盐混合烧结制 备NCA正极材料；3）先制备Ni1-xCox(OH)2

55、，然后将Ni1-xCox(OH)2与Al(OH)3、Li盐混合烧结制备 NCA正极材料。NCA通常采用氧气气氛密封连续式辊道窑生产，产品出窑后要迅速转移至相对湿度在10%以下的干燥 环境下进行破碎、粉碎、分级、合批、包装处理。NCA的低温烧结（一般不超过800）更有利，但由 于氢氧化锂挥发性较强，刺激气味较大，所以要求通风良好的生产环境。同时，NCA的烧结气氛需要 在纯氧气气氛下，才能保证Ni2+氧化成Ni3+。图：国内外常见的NCA生产工艺流程及优缺点312.4 不同正极材料具体工艺流程介绍：钴酸锂钴酸锂也称氧化钴锂或锂钴氧，钴酸锂因其合成方法简单、循环寿命长、工作电压高、倍率性能好等优 点

56、成为最早用于商品化的锂离子电池的正极材料，在小型充电电池中应用广泛。钴酸锂正极材料成本高（金属钴价格昂贵）、循环性能差、安全性能差，近年来逐步被三元正极材料替 代。在超薄电子产品领域，因钴酸锂正极材料体积能量密度及倍率性能好等优势还无法实现替代。钴酸锂生产以四氧化三钴、碳酸锂及其他掺杂元素为原料，进行计量、配料、混合、烧结、粉碎分级、除铁、包装等工序。目前，钴酸锂生产线设备投资额（不含前驱体）大致为1.7亿元/万吨（不同厂家投资额有所差异） 。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。烧结工序目前钴酸锂生产普遍采用辊道窑。工业上生产钴酸锂采用

57、空气气氛。粉碎分级工 序经过颚式破碎将粒度破碎至13mm；经过辊式破碎将粒度破碎至50100目；经过气流粉碎使粒度达到D50为1020m；D10为 15m；D90为2030m。合批工序目前合批工序使用的设备主要有双螺旋锥形混合机和卧式螺带混合机。除铁工序目前采用高磁场强度的电磁除铁器除铁。包装工序早期采用普通的真空包装机，目前规模企业均采用自 动化的粉体包装机。表：钴酸锂生产工序所使用设备图：钴酸锂生产主要工序流程322.4 不同正极材料具体工艺流程介绍：锰酸锂锰酸锂是除钴酸锂之外研究最早的锂电池正极材料，具有资源丰富、成本低、安全性能好等优点；但其 较低的比容量、较差的循环性能，特别是高温循

58、环性能使其应用受到了较大的限制。锰酸锂电池将主要 在物流车，以及在注重成本、对续航里程要求相对低的微型乘用车领域具有一定市场份额。目前，规模生产锂离子电池正极材料锂锰氧的最普遍的方法是高温固相法，即将分别含锂和锰的两种固体原料均匀混合后在一定温度和时间内煅烧制成。目前，锰酸锂生产线相对低端，设备投资额（不含前驱体）较低。表：钴酸锂生产工序主要设备计算及选型图：高温固相法合成锂锰氧尖晶石材料的工艺流程图33锂电正负极材料介绍及需求测算目录1234534风险提示正极材料生产工艺及关键设备负极材料生产工艺及关键设备负极材料工艺流程及设备国内负极材料设备市场规模受益标的3.1 负极材料工艺流程及设备本

59、章以人造石墨为例进行阐述。人造石墨基本的工序流程是一致的，但具体到每家企业的制备工艺，又 都会有些许的差异，主要步骤包括预处理、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，所有的操作是精细且复杂 的。 部分设备与正极材料设备通用或原理相似。图：紫宸科技人造石墨工序流程预处理根据生产产品的不同，使用的石墨原料不同，石墨原料有煅后石油焦、人造石墨粉、天然石墨粉等，石墨原料与添加剂沥 青焦按不同比例混合，混合比例为100：（520），物料通过真空上料机装入料斗，然后由料斗放入气流磨中进行气流磨 粉，将510mm 粒径的原辅

60、材料磨至510m。气流磨粉后采用旋风除尘器收集所需粒径物料（中间物料1）。造粒造粒分为热解工序和球磨筛分工序。 热解工序将中间物料1投入反应釜中，用N2将反应釜内的空气置换干净，反应釜密闭，按照温度曲线进行电加热，于200300搅拌13h，而后继续加热至400500，搅拌得到粒径1020mm的物料，降温出料，得中间物料2。本项目热解工序采用2种设备，立式反应釜及连续性造粒设备，两者原理相同，都是在一定的温度曲线下搅拌或移动改变釜 内物料组分和物料理化性质等。不同在于立式釜为热釜+冷釜组合模式，在热釜中按温度曲线搅拌改变釜内物料组分，完 成后放至冷却釜冷却，热釜可进料作业。连续式造粒设备则实现连