大力發展電池及鎢鈷合金新材料用鈷產品建設有特色的先進的鈷鎳制造業

蘇 捷,月光智,謝萬程

（江西江鎢鈷業有限公司,江西 贛州 341000）

1 大力發展電池新材料用鈷鎳錳三元前驅體的必要性

含鈷、鎳的電池材料，其性能優劣直接決定了電池的效能，屬于新型能源材料領域，是國家863計劃的重點攻關項目。同時，該項目屬國家《產業結構調整指導目錄》中鼓勵發展的新能源、新技術、新材料產業項目，是國家及地方政府重點支持的產業，目前處于產品壽命期的成長階段，市場前景良好。

1.1 鋰離子電池發展現狀

鋰電池是迄今所有商業化使用的二次化學電源中性能最為優秀的電池，這也是促進鋰電池用于電動助力車的一個關鍵因素。鋰電池市場經過近20年的發展，已經形成了一個較大的產業。據預測，全球動力鋰電池將在2020年達到200億美元的市場規模，年均成長速度50%。

我國鋰離子電池產量全球第一，生產量占世界總量的1/3以上，2010年動力鋰電池產能20億Ah，并呈現出逐年增加的趨勢；100多家鋰電生產企業對鋰離子電池材料需求殷切。鈷、鎳、錳三元材料作為正極材料的鋰電池，它克服了錳酸鋰的高溫性能差的缺陷，又提高了電池的比能量，在通訊電池領域，三元素復合材料最有可能成為替代鈷酸鋰的正極材料。

1.2 歐美各國政府對電池發展的政策導向

2008年以來，以美國、日本、歐盟為代表的國家和地區相繼發布實施了新的電動汽車發展戰略，進一步明確了產業發展方向，明顯加大了政策扶持力度。

2010年5月3日，德國總理默克爾與德國政界、汽車企業、能源公司和科研機構的代表在柏林共同啟動“國家電動汽車計劃”。

為推進新能源汽車以及環保汽車，日本從2009年4月1日起實施“綠色稅制”，它的適用對象包括純電動汽車、混合動力車、清潔柴油車、天然氣車以及獲得認定的低排放且燃油消耗量低的車輛。前3類車被日本政府定義為“新一代汽車”。

1.3 中國政府的政策導向

（1）2012年3月科技部發布實施《電動汽車科技發展“十二五”專項規劃》。《規劃》要求：根據混合動力、純電動和燃料電池三種基本的電動汽車動力系統技術特征與發展階段（行業稱“三縱”），靈活運用不同的自主創新方式，堅持以科技為支撐，以人才為根本，推動電動汽車技術的快速進步；緊緊把握汽車動力系統電氣化的戰略轉型方向，重點突破電池、電機、電控等關鍵核心技術（行業稱“三橫”），以及電動汽車整車關鍵技術和商業化瓶頸；通過制定引導性政策，官、產、學、研、用、金等社會各方力量形成合力，構建中國特色的電動汽車產業發展環境，推動我國電動汽車產業快速、健康發展。

（2）2012年1月工信部發布實施《新材料產業“十二五”發展規劃》。《規劃》確定了實施包括稀土及稀有金屬功能材料專項工程、高性能膜材料專項工程、先進電池材料專項工程的十項重大工程。

1.4 鋰離子電池正極材料比較（見表1）

中國電池工業協會數據顯示，2011年全球鋰電池正極材料產銷量約為69500噸，較2009年增長70%，年復合增長率達到30%。從正極材料的市場份額看，鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料基本形成三足鼎立的局面，市場份額分別為40.29%、31.35%和23.31%，磷酸鐵鋰等其他正極材料由于應用范圍的限制，市場份額較低。

表1

就目前世界主流汽車廠商的選擇而言，錳系及三元系是目前電動汽車的首選。

綜上所述，層狀鈷鎳錳三元材料由于其優異的電化學性能、良好的熱穩定性、較低的生產成本正受到研究人員和鋰電行業的廣泛關注，是下一代鋰離子電池正極材料的有力競爭者，有很大的發展空間。而鈷鎳錳三元前驅體作為鋰電池鈷鎳錳三元正極材料的重要原料，也因此有著良好的研發價值與市場前景。大力發展電池新材料用鈷鎳錳三元前驅體，具有重要意義。

2 鈷鎳錳三元前驅體制造技術簡介

鋰電池鈷鎳錳三元正極材料的制備方法[1]，主要有固相法，共沉淀法，溶膠-凝膠法和噴霧熱解法。

其中常用的方法是共沉淀法，先沉淀合成球形鈷鎳錳三元前驅體,然后與LiOH·H2O充分混合,燒結得到層狀球形的鈷鎳錳三元粉末。

前驅體的共沉淀法又分為氫氧化物共沉淀和碳酸鹽共沉淀。

氫氧化物共沉淀是以NiSO4、CoSO4、MnSO4和NaOH 為原料,以NH4OH 為絡合劑，合成球形鈷鎳錳三元前驅體。該方式制備前驅體，具有振實密度高，形貌易控制，加工性能好等優點，是工業化生產的主要方法。

碳酸鹽共沉淀則以NH4HCO3和Na2CO3為沉淀劑，合成鈷鎳錳三元共沉淀前驅體。該方式制備前驅體，振實密度較低，形貌較難控制，加工性能偏差，規模化生產較少運用。

3 大力發展高性能鎢鈷合金新材料用超細鈷粉的必要性

WC、Co硬質合金因具有高的強度、硬度以及優良的耐磨性和抗氧化性，被廣泛應用于機械加工、石油、礦山、模具和結構耐磨件等領域。超細晶硬質合金(合金中WC晶粒平均尺寸為0.1—0.6μ m)具有高強度、高硬度、高耐磨性等優良性能，滿足了現代工業和特種難加工材料的發展，現廣泛應用于制造集成電路板鉆孔用的微型鉆頭、點陣打印針頭和精密工模具等。鈷作為傳統的結構性材料，在超高溫合金、硬質合金中具有不可替代的作用。在該種材料中鈷的用量約占世界鈷用量6.5萬噸/年的40%。

超細鈷粉(0.4～0.9 μm)具有優良的物理、化學和機械性能，廣泛應用于硬質合金、磁性材料、陶瓷及電池等行業。使用超細鈷粉制備硬質合金，不僅能降低其孔隙度，避免鈷池的出現，而且WC顆粒表面粘著一層鈷，有利于隔開WC晶粒，這些都有利于提高硬質合金的綜合性能。超細硬質合金生產用的比表面積平均粒度小于0. 5 μm的超細鈷粉（并經改性處理），國際市場年需求量1000噸，國際僅兩家公司生產，銷售價格為普通鈷粉的4倍以上。研究并生產出粒度分布均勻的類球形高比重超細鈷粉，可以填補國內空白，并有可能在國際市場上占有一席之地，具有良好的市場開發價值，并可帶來良好的經濟效益。

4 超細鈷粉制造技術簡介

超細鈷粉的主要制備工藝[2]，主要有高壓水噴霧法；草酸鈷、碳酸鈷或氧化鈷還原法；草酸鈷熱離解法；多元醇還原法液相還原法；電解法。

上述方法，暫時未能達到所需超細鈷粉的生產要求。

國內現有的鈷粉生產工藝主要為碳酸鈷還原法，相對草酸鈷直接通過氫氣還原成本較低，形態為類球形，平均粒度為0.9—1.5 μm，但粒度分布較寬，分散性需改進。

因此，必須進一步研究粒度分布均勻的類球形高比重超細鈷粉的制備工藝，以減少同類產品的進口量，促進高性能鎢鈷合金的生產與發展。

作為鈷鎳冶煉企業，超細鈷粉制造技術的未來的研究重點，首先可以放在調整沉鈷工藝，控制前驅體碳酸鈷的粒度分布，采用適當的氫還原工藝條件，還原制得超細鈷粉，并通過改性及適當的粉碎、分級措施，加強后序處理，加強鈷粉的分散性，從而改善超細鈷粉的粒度分布；然后將重點放在高壓氫還原制備工藝研究上，尋求更為有效的低成本的球形超細鈷粉制造生產工藝。

5 結論

鈷鎳冶煉、制造，是贛州市基礎制造業之一。建設有特色的先進的鈷鎳制造業，是贛州發展材料科學與制造技術的需要，是“依靠科技創新，推進贛南蘇區振興發展”不可缺少的部分。

近些年來，鈷鎳市場較為低迷，但由于鋰電池鈷鎳錳三元正極材料的良好的研發價值與市場前景、高性能超細晶鎢鈷合金的廣泛應用，鈷鎳錳三元前驅體、粒度分布均勻的類球形高比重超細鈷粉都具有良好的市場開發價值，并可帶來良好的經濟效益。這兩種材料的制造技術的研究與發展，是鈷鎳制造業的發展方向與重點。

大力發展電池新材料用鈷鎳錳三元前驅體，大力發展高性能鎢鈷合金新材料用超細鈷粉，完善與鎢產業的鏈接，走低成本、綜合利用的技術路線，建設有特色的先進的鈷鎳制造業，重鑄贛州鈷鎳制造業的輝煌，必將推進贛南蘇區振興發展。

[1]丁楚雄等，鋰離子電池三元正極材料的研究進展[J].化學與物理電源系統，2008（06）.

[2]王占鋒等，超細鈷粉制備工藝的研究發展[J].硬質合金，2008（03）：63-66.