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湖南省科学技术进步奖提名书 (

2019 年度)

一、项目基本情况 湖南省科学技术奖励工作办公室制 奖励类别: 技术创新类 提名单位(专家) 宁乡经济技术开发区 项目名称 锂离子电池用高性能三元前驱体材料的可控制备关键技术及产业化 主要完成人 王接喜,胡启阳,王一乔,尹周澜,孙春辉,李勇,任永志,李奇志,李旭升 主要完成单位 湖南中伟新能源科技有限公司,中南大学,湖南海纳新材料有限公司 省财政资金拨款单位 宁乡县 项目密级 非密 定密日期 保密期限(年) 定密机构(盖章) 学科分类 名称

1 电化学冶金 代码

4503091 2 有色金属及其合金材料 代码

4304020 3 贵金属冶炼技术 代码

4504030 所属国民经济行业 锂离子电池制造 所属国家重点发展领域 制造业 任务来源 省、市、自治区计划 具体计划、基金的名称和编号: 湖南省战略性新兴产业科技攻关与重大科技成果转化项目 2016GK4021 已呈交的科技报告编号: 授权发明专利(项)

9 授权的其他知识产权(项)

7 项目起止时间 起始: 2016年1月1日 完成: 2018年12月31日12019年度提名书正式版 下载者:宁乡经济技术开发区管理员,下载时间:2019年05月20日09时41分

二、提名意见 提名单位 宁乡经济技术开发区 通讯地址 宁乡经济技术开发区 邮政编码

313 联系人宁乡经济技术开发区 联系电话 电子邮箱 传真313-313 提名意见: 该项目通过产学研合作,攻克了动力锂电池用三元前驱体制备和产业化推广过程中尚存在产品型号单

一、生产成本高、技术不成熟及生产过程存在高能耗、高污染等未完全解决的难题,形成了集成创新技术 ,成功实现了产业化应用,形成了重大行业示范.

近三年来,新增产值实现总销售收入59000万元,经济 与社会效益显著.该项目通过自主创新,引领了行业技术进步,促进了锂离子电池产业的发展,应用前景 广阔. 经审核,该项目符合湖南省科学技术进步奖申报范围和条件要求. 提名该项目为湖南省科学技术进步奖二等奖. 声明:本单位遵守《湖南省科学技术奖励办法》及其实施细则的有关规定,承诺遵守评审工作纪律 ,所提供的提名材料真实有效,且不存在任何违反《中华人民共和国保守国家秘密法》和《科学技术保密 规定》等相关法律法规及侵犯他人知识产权的情形.如有材料虚假或违纪行为,愿意承担相应责任并接受 相应处理.如产生争议,保证积极调查处理. 提名单位(盖章) 年月日提名项目等级(请在相应栏打 √ 进行选择) 一等奖 第一完成人签字: 年月日二等奖 √ 三等奖 说明:实行 定标定额 评审,一等奖评审落选项目不再降格参评

二、三等奖,二等奖评审落选项目 不再降格参评三等奖.评审公示后不受理对评审结果中有关提名等级的异议.请认真对照省科学技术进步 奖授奖条件,填写提名等级.

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三、项目简介 三元材料前驱体是决定动力电池性能的关键因素,具有容量高、 热稳定性好、 价格低廉等优点, 广泛应用于小型锂电池及锂离子动力 电池.然而,当前国产镍钴锰三元前驱体材料性能远远落后于日韩, 仅有少数国产企业可大规模生产且产品品种单一, 不能满足动力锂离 子电池高速发展. 针对上述三元前驱体基础研究与产业化中尚未完全 解决的问题, 本项目在省科技厅支持下, 通过与中南大学和湖南海纳 新材有限公司合作,经过三年多的科研攻关,共同开发、设计并实施 了本项目.取得的成果如下: (1) 通过 pH 值和金属盐浓度的在线精准调控, 研发了控制结晶 共沉淀技术, 制备了具有密度梯度、 振实密度和比表面积可调的高性 能三元前驱体材料;

(2)自主开发了密度选择性可控的固液分离装置和复合涡轮式 搅拌装置的高精度反应釜, 实现了规模化生产线上粒径分布的精准控 制;

(3) 在三元前驱体制备过程中应用了高效氨氮水循环利用技术, 实现了氨氮水盐的零排放,建成了年产 2.4 万吨三元前驱体生产线. 通过本项目实施,可实现三元前驱体材料产业化推广并实现以下 产品指标: (1)镍钴锰多元前驱体材料振实密度控制在合理范围;

(2)阴离子杂质总量≤1000ppm;

(3)阳离子杂质元素 Na≤100ppm,Fe≤10ppm,Cu≤ppm,Zn≤1ppm;

(4)其它阳离子杂质分别≤20ppm. 本项目已授权中国发明专利

9 项, 中国实用新型专利

7 项, 已形 成完整的自主知识产权体系. 项目实施三年多来, 取得了良好的经济 效益和社会效益.2017 年本项目产品新增销售收入

20669 万元,新 增利润

2049 万元,

2018 年新增销售收入

38301 万元, 新增利润

2091 万元.经过多年的运营,产品质量稳定,远销海外,主要客户有湖南 杉杉新能源、厦门夏钨、福州福森及广州广钢等.本项目突破了我国 前驱体材料生产能力不足的瓶颈, 显著提高了我国锂离子电池正极材 料技术水平和产业化水平, 冲破了国外技术壁垒, 提升了我国锂离子 电池整体技术水平和国际竞争力,促进了我国新能源材料产业的发 展.

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四、主要科技创新 1. 主要科技创新 我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要》指出要重点研究开发低能耗 新能源汽车.2017 年4月国家工业和信息化部、国家发展改革委及国家科技部 发布的 《汽车产业中长期发展规划》 将发展新能源汽车作为重要战略.

2016 年, 《湖南省 十三五 科技创新规划》指出要重点发展新能源汽车及先进储能材料. 由传统燃油汽车到新能源汽车, 产业发展引领能源革命, 市场容量达到万亿级, 三元材料前驱体是决定汽车用动力电池性能的关键因素.锂离子电池用高性能 三元前驱体材料的成功开发在新能源领域发挥了重要的作用,符合《中国制造 2025》行动纲要.项目紧密结合锂电产业链高新技术发展、国家和区域经济建 设的重大任务需求,为我国锂离子电池材料等新能源产业的快速发展奠定基础. 目前,镍钴锰三元前驱体产业化制备技术主要为络合共沉淀法.而国内外生产 三元前驱体企业工艺参数大同小异,但产品差别仍参差不齐.决定产品性能的 关键因素已经由工艺参数转移到反应设备和反应方式上.不同反应釜制备出的 镍钴锰三元前驱体性能差别大,反应釜及搅拌体系已经成为目前各企业之间的 技术秘密.本项目以三元前驱体为研究对象,系统研究了材料组成、生产工艺、 不同反应釜、液体流动、反应气氛等对三元镍钴锰前驱体性能的影响,开展了 锂离子电池用高性能三元前驱体材料的基础研究、 小试、 放大实验和生产应用, 设计并建设了湖南省内首条万吨级三元前驱体的生产线.本项目的实施,解决 了三元前驱体材料生产制备过程中的核心技术问题.项目主要创新点如下: 创新点一: 通过 pH 值和金属盐浓度的在线精准调控, 研发了控制结晶共沉 淀技术,实现了反应气氛、产物阴离子含量及振实密度的有效控制,制备了具 有密度梯度、振实密度和比表面积可调的高性能三元前驱体材料.[学科:重有 色金属冶炼技术;

支撑材料:ZL 201510180758.2,ZL 201110331881.1,湘生促 评字〔2019〕第06 号] 多金属盐及氨碱溶液通过流量泵从不同部位注入反应釜,形成固液对流, 经搅拌反应得到三元前驱体材料.在共沉淀制备镍钴锰氢氧化物的过程中,反 应釜中反应体系氧分压低于100 ppm,严格控制锰元素的氧化,以保证其与Ni、 Co等元素一起形成氨络合物,从而实现多元素均匀共沉淀,有效抑制了锰氧化

4 2019年度提名书正式版 下载者:宁乡经济技术开发区管理员,下载时间:2019年05月20日09时41分 单独成核造成的颗粒内部疏松、振实密度低等问题,有效减少了杂质离子在产 物表面残留(表1). 表1 本项目制得三元前驱体材料的杂质含量 杂质元素 阴离子 Na Fe Cu Zn 其他 含量/ppm

1000 100

10 10

1 20 在镍钴锰前驱体的各种结构中,颗粒的内部疏松程度与振实密度成反比, 颗粒内部越疏松,振实密度越低,颗粒内部越致密,振实密度越高,前驱体较 高的振实密度决定了烧结成正极材料后的振实密度.但颗粒振实密度过高,颗 粒活性降低,在烧结成单晶材料时,烧结难度增大,烧结温度提高,烧结时间 延长,烧结成本提高.项目通过多探头协同耦合,精准控制反应pH(± 0.02), 调控反应物浓度、反应温度和反应时间,实现了不同振实密度和具有密度梯度 的三元前驱体材料的可控制备,可满足不同用户对多晶、单晶、功率型、能量 型等等产品需求(图1). 镍钴锰前驱体在制备过程中,原材料中的硫酸根极易被包裹进颗粒内部, 如不能有效除去,在后段烧结过程中,会受热分解成酸性的二氧化硫或三氧化 硫气体,将直接对碱性的烧结炉造成严重腐蚀.因此,降低前驱体中硫酸根含 量是制备前驱体过程中的关键工序.项目采用碱煮和碱洗置换硫酸根.由于氢 氧根离子半径远远小于硫酸根离子半径,母液中的氢氧根与前驱体颗粒内部的 硫酸根发生静态置换,使得颗粒内部的硫酸根溶解于母液中,同时通过动态淋 洗,深度去除产物中的硫酸根. 图1本项目制得的具有不同形貌和性能的三元前驱体材料

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