CN105129762A - 一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉 - Google Patents

Abstract

本发明属于磷酸铁锂正极材料制备领域，具体涉及一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，包括：炉体及支撑炉体的支撑机构；其特征在于，还包括位于炉体内的贯通式炉膛、位于炉体侧面的进料口和出料口、设置于炉体侧面的滚轮式密封机构、穿过贯通式炉膛的带凹槽的板式输送带、位于出料口前端的冷却出料装置、连接贯通式炉膛的保护气体输入及气体压力控制装置和温度控制装置；其中，贯通式炉膛被三道密封墙划分为四段工艺区间。本发明采用了带凹槽的整体式薄钢板作为输送带，可以实现连续式的生产；采用了独特的密封机构，不仅可以实现炉腔的密封，而且可以通过不同工作区间的气压差进一步降低高温工作区间的含氧量，改善材料的性能。

Description

一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉

技术领域

本发明属于磷酸铁锂正极材料制备领域，具体涉及一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉。

背景技术

磷酸铁锂材料由于具有安全性能好、放电倍率高、循环性能优良、使用温度范围宽、寿命长、绿色环保等优点，自问世以来便受到人们的广泛关注，有望在电动汽车及便携式电子设备中得到广泛的应用。近年来，随着国家对环保问题越来越重视，尤其是2011年以来对铅酸蓄电池生产的整治等原因，促进了动力用磷酸铁锂电池产业的迅速发展。但是，由于磷酸铁锂材料的制备工艺复杂、生产设备不成熟、技术门槛较高，因此产业化速度较慢，限制了其进一步的推广应用。

目前，磷酸铁锂材料的制备主要采用高温固相反应法，热处理的温度高达600-800℃。该温度下，材料中的二价铁离子极容易氧化，导致材料的性能下降。因此，为了防止磷酸铁锂材料在生产过程被氧化，国内企业基本上都是采用间歇式的热处理设备，如：气氛保护箱式炉、气氛保护钟罩炉等，极大地限制了材料的生产效率。近年来，国内的一些设备制造商尝试开发可用于连续生产磷酸铁锂材料的推板窑、网带炉、回转窑，并在一些生产磷酸铁锂材料的企业进行了试用，取得了一些结果，但在材料性能的稳定性与一致性方面与间歇式的热处理设备仍然相差甚远。同时，目前也有一些关于连续生产磷酸铁锂材料的设备的专利，如专利号为CN201587859的专利介绍了一种磷酸铁锂材料微波加热卧式连续生产设备；专利号为CN102092699的专利介绍了一种磷酸铁锂前驱体烧结制备磷酸铁锂方法及微波烧结设备；专利号为CN201971642U的专利介绍了一种高导磷酸铁锂烧结装置。但是，上述专利所涉及的各种设备，仍然存在一些缺陷，难以在实际生产中保证生产效率的同时兼顾材料的性能稳定性及一致性。

发明内容

本发明针对现有磷酸铁锂材料生产设备无法兼顾生产效率及产品性能的不足，提供一种控温准确、低氧含量并可以连续式生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，包括：炉体及支撑炉体的支撑机构；其特征在于，还包括位于炉体内的贯通式炉膛、位于炉体侧面的进料口和出料口、设置于炉体侧面的滚轮式密封机构、穿过贯通式炉膛的带凹槽的板式输送带、位于出料口前端的冷却出料装置连接贯通式炉膛的保护气体输入及气体压力控制装置和温度控制装置，进料口和出料口均采用滚轮式密封机构密封；其中，贯通式炉膛被三道密封墙划分为四段工艺区间，各区间的工作温度及保护气体的气压存在差异，各密封墙上留有狭窄缝隙，所述的缝隙仅允许板式输送带及磷酸铁锂正极材料通过。

前述的一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，第一段工艺区间的长度为1.5-2米，温度为80-150℃，保护气体压力为P1；第二段工艺区间的长度为2.5-3米，温度为300-450℃，保护气体压力为P2；第三段工艺区间的长度为6-8米，温度为600-700℃，保护气体压力为P3；第四段工艺区间为冷却区间，设有循环水冷却装置，长度为2.5-3.5米，保护气体压力为P4；其中，各区间的保护气体压力均略高于标准大气压P0，且四者之间的相互关系为：P2=P3>P1>P4。

前述的一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，所述进料口和出料口分别位于炉体的两侧，滚轮式密封机构中留有可以让板式输送带及磷酸铁锂正极材料通过的狭窄缝隙，进料口和出料口分别穿过滚轮式密封机构内的狭窄缝隙。

前述的一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，所述的滚轮式密封机构的滚轮由空心铜辊及包裹空心铜棍的橡胶外壳组成，空心铜辊内部供循环冷却水通过。

前述的一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，滚轮式密封机构由至少2个滚轮以及与上部滚轮连接的弹簧构成，根据磷酸铁锂正极材料厚度调节弹簧高度以调节上部滚轮、上部滚轮下方的相邻滚轮之间的距离，使所述的距离仅允许板式输送带及磷酸铁锂正极材料通过，保持炉腔始终处于密封状态。

前述的一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，烧结炉的板式输送带由带凹槽的整体式薄钢板组成，磷酸铁锂正极材料放置于凹槽内，输送带在动力传送***的作用下完成磷酸铁锂正极材料的输送工作。

前述的一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，烧结炉的板式输送带只有一条位于贯通式炉膛中，另一条位于炉膛外部。

前述的一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，组成板式输送带的整体式薄钢板厚度为10-50mm，材料为弹簧钢。

前述的一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，烧结炉的温度控制装置、保护气体输入及气体压力控制装置采用PLC控制，实时监控各工作区间的温度及气体压力，并可以对工作区间的温度及压力进行调整。

本发明的有益效果是：本发明装置为带式气氛烧结炉，采用了带凹槽的整体式薄钢板作为输送带，可以实现连续式的生产，不仅效率高，而且可以减少操作工人的数量，节约劳动力成本；本发明采用了独特的密封机构，不仅可以实现炉腔的密封，而且可以通过不同工作区间的气压差进一步降低高温工作区间的含氧量，改善材料的性能。本发明装置作为一种兼顾生产效率及材料性能的连续式生产设备，有望在磷酸铁锂正极材料的规模化生产中得到广泛的应用。

附图说明

图1为本发明的连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉结构示意图。

图2为冷却区间的剖面图，冷却装置为“回”字形冷却水套；输送带为凹槽式的板式结构。

图3为放大后的密封滚轮结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

根据图1-图3，一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，包括：炉体101及支撑炉体的支撑机构102；其特征在于，还包括位于炉体101内的贯通式炉膛103、位于炉体侧面106的进料口104和出料口105、设置于炉体侧面106的滚轮式密封机构111、穿过贯通式炉膛103的带凹槽的板式输送带107、位于出料口105前端的冷却出料装置109、连接贯通式炉膛的保护气体输入及气体压力控制装置108和温度控制装置，进料口和出料口均采用滚轮式密封机构111密封，即滚轮式密封机构为2组。温度控制装置包括温度传感器、控制器、加热装置等结构。炉体的进料口104、出料口105分别设置于炉体的左右两侧。滚轮式密封机构中留有可以让板式输送带及磷酸铁锂正极材料通过的狭窄缝隙，进料口和出料口分别穿过滚轮式密封机构内的狭窄缝隙。

本发明所述的带式气氛烧结炉，其贯通式炉膛被三道密封墙110划分为四段工艺区间，各区间内的温度可以通过PLC控制进行调整，而材料的热处理时间则可以通过调整输送带的传送速度及各工作区间的长短来实现控制。本发明中，第一段工艺区间的长度为1.5-2米，温度为80-150℃；第二段工艺区间的长度为2.5-3米，温度为300-450℃；第三段工艺区间的长度为6-8米，温度为600-700℃；第四段工艺区间为冷却区间，设有循环水冷却装置，长度为2.5-3.5米。

为了防止材料在高温区被氧化，本发明装置在工作前应先对炉腔抽真空，然后再通入保护气体，如高纯度的氮气及氩气。

本发明中，由于炉腔的各工作区间被密封墙隔开，仅留有允许板式输送带及磷酸铁锂正极材料通过的极小缝隙，因此在工作时可以通过保护气体输入及压力控制装置来调整各个工作区间的气压，使之存在差异。在本发明装置的炉腔各区间内的保护气体压力关系为P2=P3>P1>P4>P0，即高温工作区的气压大于低温工作区的气压，炉膛内的气压大于炉膛外的空气气压。由于炉腔内的保护气体只能由高压段流向低压段，因此就可以有效防止炉膛外的空气进入炉膛内、低温区的保护气体进入高温区，从而减少材料被氧化的几率。

本发明装置的保护气体输入及气体压力控制装置由充气管道、抽气管道、电磁阀门以及压力传感器构成，其中每条充气管道与抽气管道上均装有一个电磁阀，并利用三通接头连接在一起，抽气管道与充气管道通过三通接头连接在一起，充气工序时关闭抽气管道的电磁阀，抽气工序时则关闭充气管道的电磁阀。在生产时，各个工作区间的气压由压力传感器检测，并由PLC控制***调节电磁阀门来进行抽气或充气，精确控制各工作区间的气压。

炉体的进料口104、出料口105处设有滚轮式密封机构111，该机构上的密封滚轮在工作时可以随着运输带一起转动，推动磷酸铁锂正极材料进入烧结炉腔体内部。密封滚轮由空心铜辊112及橡胶外壳113组成（图3），其中空心铜辊中设有循环水冷却***，可以防止橡胶外壳在高温下被破坏。密封机构的上部滚轮连有弹簧，工作时可以根据材料厚度的变化来调节高度，使炉腔始终处于密封状态。滚轮式密封机构的两端密封于炉体侧面内部，由至少2个滚轮以及与上部滚轮（是指位于输送带和材料上方且与输送带紧邻的那个滚轮）连接的弹簧构成，根据磷酸铁锂正极材料厚度调节弹簧高度以调节上部滚轮的高度，进而调节了上部滚轮与上部滚轮下方的相邻滚轮之间的距离，使所述的距离仅允许板式输送带及磷酸铁锂正极材料通过，保持炉腔始终处于密封状态。上部滚轮与上部滚轮下方的相邻滚轮，均与输送带部分贴合，在工作时，可以随着运输带一起转动，推动磷酸铁锂正极材料进入烧结炉腔体内部或者由烧结炉腔体内部出料。

本发明装置的板式输送带由带凹槽的整体式薄钢板组成，工作时，磷酸铁锂正极材料直接由落料***输送到整体式薄钢板的凹槽中，输送带上不需安装盛放材料的容器，这样滚轮式密封机构及三道密封门上可以只留下仅容板式输送带及磷酸铁锂正极材料通过狭小缝隙，提高了炉腔的密封性能。由于工作时输送带要弯曲成一定的形状并缠绕在动力装置上，因此组成输送带的钢板必须具有很好的强度及韧性，比如弹簧钢板，且钢板的最佳厚度为10-50mm。

为了防止磷酸铁锂正极材料在空气中被氧化，必须在出料前进行冷却处理。本发明的冷却装置为“回”字形冷却水套（图2），水套由导热性良好的铜板焊接而成。工作时，冷却水在循环泵的作用下由低端通入，高端流出，有效降低材料的出料温度。

实施例1

本实施例首先采用本领域公知的技术来制备磷酸铁锂前驱体，然后将磷酸铁锂前驱体材料采用本发明所述的带式气氛烧结炉在氮气的保护下进行烧结。

（1）前驱体材料的预处理：将磷酸铁锂前驱体材料按50kg/h的速率加入送料器中，将第一工作区间的温度控制为100℃，保护气压P1控制为1.05个标准大气压，热处理的时间为3小时；

（2）前驱体材料的预烧结：预处理过的磷酸铁锂前驱体材料在输送带的作用下，进入第二工作区间，该区间的预烧结温度为350℃，保护气压P1控制为1.1个标准大气压，预烧结时间为5小时；

（3）前驱体材料的烧结：预烧结过的磷酸铁锂前驱体材料在输送带的作用下，进入第三工作区间，该区间的烧结温度为700℃，保护气压P1控制为1.1个标准大气压，烧结时间为12小时；

（4）磷酸铁锂材料的冷却及出料：烧结过的磷酸铁锂材料在输送带的作用下，进入第四工作区间，进行充分的冷却并出料，该区间的保护气压控制为1.02个标准大气压，略高于外部的空气压力。

所得产品经粉碎、过筛、制样并测试，电池容量达到158mA/h（0.2C）。

实施例2

本实施例其他操作同实施例1，不同之处在于：第三工作区间的烧结温度为600℃。

本实施例所得产品经粉碎、过筛、制样并测试，电池容量达到155mA/h（0.2C）。

比较例1

本比较例预处理、预烧结及烧结工艺参数（温度、气压、处理时间）与实施例1相同，不同之处在于：采用的设备为气氛保护钟罩炉，处理方式为间歇式处理。

本比较例所得产品经粉碎、过筛、制样并测试，电池容量达到157mA/h（0.2C）。

上述实施例及比较例的结果说明，本发明所述的连续式烧结炉生产的磷酸铁锂材料的性能不弱于间歇式处理的气氛保护钟罩炉，但是其生产效率明显高于气氛保护钟罩炉，具有很强的实用性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，包括：炉体（101）及支撑炉体的支撑机构（102）；其特征在于，还包括位于炉体（101）内的贯通式炉膛（103）、位于炉体侧面（106）的进料口（104）和出料口（105）、设置于炉体侧面（106）的滚轮式密封机构（111）、穿过贯通式炉膛（103）的带凹槽的板式输送带（107）、位于出料口（105）前端的冷却出料装置（109）、连接贯通式炉膛的保护气体输入及气体压力控制装置（108）和温度控制装置，进料口和出料口均采用滚轮式密封机构（111）密封；其中，贯通式炉膛被三道密封墙（110）划分为四段工艺区间，各区间的工作温度及保护气体的气压存在差异，各密封墙上留有狭窄缝隙，所述的缝隙仅允许板式输送带及磷酸铁锂正极材料通过。

2.根据权利要求1所述的一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，其特征在于：第一段工艺区间的长度为1.5-2米，温度为80-150℃，保护气体压力为P1；第二段工艺区间的长度为2.5-3米，温度为300-450℃，保护气体压力为P2；第三段工艺区间的长度为6-8米，温度为600-700℃，保护气体压力为P3；第四段工艺区间为冷却区间，设有循环水冷却装置，长度为2.5-3.5米，保护气体压力为P4；其中，各区间的保护气体压力均略高于标准大气压P0，且四者之间的相互关系为：P2=P3>P1>P4。

3.根据权利要求1所述的一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，其特征在于：所述进料口和出料口分别位于炉体的两侧，滚轮式密封机构中留有可以让板式输送带及磷酸铁锂正极材料通过的狭窄缝隙，进料口和出料口分别穿过滚轮式密封机构内的狭窄缝隙。

4.根据权利要求3所述的一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，其特征在于：所述的滚轮式密封机构的滚轮由空心铜辊（112）及包裹空心铜棍的橡胶外壳（113）组成，空心铜辊内部供循环冷却水通过。

5.根据权利要求1或3或4所述的一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，其特征在于：滚轮式密封机构由至少2个滚轮以及与上部滚轮连接的弹簧构成，根据磷酸铁锂正极材料厚度调节弹簧高度以调节上部滚轮、上部滚轮下方的相邻滚轮之间的距离，使所述的距离仅允许板式输送带及磷酸铁锂正极材料通过，保持炉腔始终处于密封状态。

6.根据权利要求1所述的一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，其特征在于：烧结炉的板式输送带由带凹槽的整体式薄钢板组成，磷酸铁锂正极材料放置于凹槽内，输送带在动力传送***的作用下完成磷酸铁锂正极材料的输送工作。

7.根据权利要求1所述的一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，其特征在于：烧结炉的板式输送带只有一条位于贯通式炉膛中，另一条位于炉膛外部。

8.根据权利要求1所述的一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，其特征在于：组成板式输送带的整体式薄钢板厚度为10-50mm，材料为弹簧钢。

9.根据权利要求1所述的一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，其特征在于：烧结炉的温度控制装置、保护气体输入及气体压力控制装置采用PLC控制，实时监控各工作区间的温度及气体压力，并可以对工作区间的温度及压力进行调整。