CN109579517B - 一种生产三元锂电材料的螺旋推进气氛烧结炉 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生产三元锂电材料的螺旋推进气氛烧结炉，包括炉体、动力***及支撑机构；还包括位于炉体内的贯通式炉膛、炉胆、位于炉体上方的进料口、位于炉体下方的出料口、穿过贯通式炉胆的螺旋式输送杆、连接炉胆的保护气体输入及气体压力控制装置和温度控制装置；所述炉胆前后贯穿所述贯通式炉膛，炉胆两端均采用密封机构密封；所述进料口连接至炉胆的一端、炉胆的另一端连接至出料口；其中，炉胆的前、中、后段根据不同的温度分为三个工艺区间，为第一段工艺区、第二段工艺区间和第三段工艺区间。本发明可以实现连续式生产，在确保降低工作区间氧含量的同时，实现材料沿进料口‑炉胆‑出料口的顺利流动，兼顾了材料的性能与生产效率。

Description

一种生产三元锂电材料的螺旋推进气氛烧结炉
技术领域
本发明涉及一种三元锂电材料制备领域，具体涉及一种生产三元锂电材料的螺旋推进气氛烧结炉。
背景技术
随着传统能源(石油、天然气、煤炭)储量的不断减少以及由其造成的环境恶化问题日益突出，具有高能量密度、轻量可充电式的锂离子电池越来越广泛地应用于电动汽车、手机、笔记本电脑、数码相机、摄像机等方面，世界锂离子电池材料的市场也越来越大。锂离子电池材料主要包括钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂、三元等材料，其中三元锂电池材料由于具有能量密度高、循环性能好，而且在容量与安全性方面比较均衡，近年来在动力汽车方面的应用越来越多，逐渐已经超越了磷酸铁锂，成为动力电池市场的主要趋势。
锂离子电池材料的结构和性能与制备工艺、设备密不可分，不同的制备工艺、设备所生产的锂离子电池材料在结构与性能方面存在很大的差异。目前，制备锂离子电池材料的方法主要有固相合成、化学沉淀、溶胶凝胶、水热合成以及喷雾降解等方法，其中固相合成方法由于工艺简单，便于工业化生产，在锂离子电池材料的实际生产中应用最广泛。固相合成法由于要在较高温度下进行，导致材料容易被氧化，因此国内企业基本上都是采用间歇式热处理设备，生产效率较低，不利于产业化生产。近年来，国内一些设备制造企业尝试研发可应用于连续生产锂离子电池材料的推板窑、网带炉、回转窑，也取得了一些进展，但是，在材料稳定性与一致性方面仍然与间歇式的热处理装备仍然存在较大差距。而且，这些设备大多根据磷酸铁锂材料的生产工艺来进行设计。比如专利号为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。但是，上述专利所涉及的各种设备，仍然存在一些不足，难以在世界生产中保持生产效率的同时兼顾材料的性能稳定性与一致性。此外，本发明人在前期也公布了专利号为CN 105129762 A的专利，介绍了一种连续生产磷酸铁锂正极材料的带式气氛烧结炉，该发明在兼顾生产效率的同时保持了材料性能的稳定性与一致性。但是，该烧结炉主要应用于生产磷酸铁锂，对于三元锂电材料的生产仍然存在一些问题。而且，发明人通过反复实验发现，通过对烧结炉的结构进行创造性的改造，可以实现三元锂电材料性能的优化，生产效率的提升。
发明内容
本发明针对现有锂电材料生产设备难以兼顾生产效率与产品性能的不足，提供一种连续式的、可生产高性能的三元锂电材料的螺旋推进气氛烧结炉。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种生产三元锂电材料的螺旋推进气氛烧结炉，包括炉体、动力***及支撑机构；还包括位于炉体内的贯通式炉膛、炉胆、位于炉体上方的进料口、位于炉体下方的出料口、穿过贯通式炉胆的螺旋式输送杆、连接炉胆的保护气体输入及气体压力控制装置和温度控制装置；所述炉胆前后贯穿所述贯通式炉膛，炉胆两端均采用密封机构密封；所述进料口连接至炉胆的一端、炉胆的另一端连接至出料口；其中，炉胆的前、中、后段根据不同的温度分为三个工艺区间，为第一段工艺区、第二段工艺区间和第三段工艺区间。
第一段工艺区间的长度为0.5-1.0米，温度为150-400℃；第二段工艺区间的长度为2.0-3.0米，温度为600-800℃；第三段工艺区间的长度为1.0-1.5米，温度为50-150℃；炉体内保护气体的压力P高于标准大气压P0，P与P0的关系为P＝1.05-1.15P0。
炉胆内的气压输入及控制装置中还包含抽真空***，所述抽真空***由真空泵及扩散泵组成；在输入保护气体前，通过抽真空***排尽炉胆内的空气，确保保护气体的纯度。
进料口设有螺杆驱动下料装置。
所述螺旋式输送杆为材料的输送机构，螺旋式输送杆的杆体采用不同角度的螺纹块拼接组合而成；第一段工艺区间选择30-45度的螺纹块，第二段工艺区间选择60-75度的螺纹块，第三段工艺区间选择30-45度的螺纹块；三元锂电材料在各工艺区间的停留时间可以通过调整不同角度的螺纹块数量来进行调整。
炉胆两端均采用密封机构密封，所述密封机构由密封元件与外侧防止密封元件失效的冷却水套组成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的螺旋推进气氛烧结炉采用螺旋式输送杆作为输送装置，可以实现连续式生产，生产效率高，且能减少操作工人数量，节约劳动力成本。本发明不同工艺区间对应于材料的不同处理阶段(烘干、预热、化学反应、冷却)，通过控制材料在不同工艺区间的停留时间，可以改善材料的微观组织，使性能得到优化。本发明在确保降低工作区间氧含量的同时，实现材料沿进料口-炉胆-出料口的顺利流动，兼顾了材料的性能与生产效率。本发明有望在三元锂电材料的规模化生产中得到广泛应用。
附图说明
图1是本发明的生产三元锂电材料的螺旋推进气氛烧结炉的结构示意图。
图2是带有冷却水套的密封装置截面图。
图中：101-隔板，102-支撑机构，103-贯通式炉膛，104-进料口，105-出料口，106-炉体，107-螺旋式输送杆，108-保护气体输入及气体压力控制装置，109-密封机构，110-炉胆，111-温度控制装置，112-动力***,113-转轴，114-冷却水套，115-密封元件，116-螺杆驱动下料装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1与图2所示，一种生产三元锂电材料的螺旋推进气氛烧结炉，包括：炉体106、动力***112及支撑机构102；此外，还包括位于炉体内的贯通式炉膛103、炉胆110、位于炉体上方的进料口104、位于炉体下方的出料口105、穿过贯通式炉胆的螺旋式输送杆107、连接炉胆的保护气体输入及气体压力控制装置108和温度控制装置111；炉胆两端均采用密封机构密封109；其中，炉胆的前、中、后段根据不同的温度分为三个工艺区间。
所述温控控制装置由加热零件、传感器、仪表组成，通过调整不同区间温控装置参数，实现不同工艺区间的温度控制。
本发明所述的一种生产三元锂电材料的螺旋推进气氛烧结炉，第一段工艺区间的长度为0.5-1.0米，温度为150-400℃；第二段工艺区间的长度为2.0-3.0米，温度为600-800℃；第三段工艺区间的长度为1.0-1.5米，温度为50-150℃；炉体内保护气体的压力P略高于标准大气压P0，P与P0的关系为P＝1.05-1.15P0。本发明通过使炉胆内的保护气体气压略高于外界空气大气压，迫使气体只能由炉胆内向外流动，可以确保炉内保护气体的纯度，防止三元锂电材料被氧化。若保护气体低于本发明所述范围，外界空气可能会进入炉胆内，使材料被氧化，降低性能；若保护气体高于本发明所述范围，虽然仍能达到防止材料氧化的目的，但会使气体向外流动加速，增加生产成本。
本发明所述的一种生产三元锂电材料的螺旋推进气氛烧结炉，温度控制装置111由加热元件、传感器与PLC控制元件组成，可以通过该控制装置对工作区间的温度进行实时监控并进行适当调整。
本发明所述的一种生产三元锂电材料的螺旋推进气氛烧结炉，炉胆内的气压输入及控制装置中还包含抽真空***，该抽真空***由真空泵及扩散泵组成；为了防止材料氧化，在输入保护气体前，通过抽真空***排尽炉胆内的空气，然后再通入氮气、氩气等保护气体。
本发明所述的一种生产三元锂电材料的螺旋推进气氛烧结炉，进料口设有螺杆驱动下料装置116。设置此装置的目的是为了使材料顺利进入炉胆。由于炉胆内气压高于外界大气压，如果没有该装置，材料很难利用其自重而进入炉胆内部。
本发明所述的一种生产三元锂电材料的螺旋推进气氛烧结炉，材料的输送机构为螺旋式输送杆107，其中螺旋式输送杆采用不同角度的螺纹块拼接组合而成；第一段工艺区间选择30-45度的螺纹块，第二段工艺区间选择60-75度的螺纹块，第三段工艺区间选择30-45度的螺纹块；由于小角度(30-45度)的螺纹块可以使材料在工艺区间停留时间变短，而大角度(60-75度)的螺纹块可以延长材料在工艺区间的停留时间，因此三元锂电材料在各工艺区间的停留时间可以通过调整不同角度的螺纹块数量来进行调整。此外，由于该输送杆在生产中容易磨损，所以螺纹块应该采用硬度大于60HRC的硬质合金生产。
前述的一种生产三元锂电材料的螺旋推进气氛烧结炉，为了防止空气进入炉内，在炉胆两端均采用密封机构密封109；密封机构由密封元件与外侧防止密封元件115失效的冷却水套114组成。冷却水套由导热性良好的铜板焊接而成，密封元件采用耐高温的硅胶树脂制成。冷却时，冷却水由水套低端进入，由水套高端输出，有效降低水套及密封元件的温度。
实施例1：
本实施例首先采用本领域公知的技术来制备三元锂电材料前驱体，然后将前驱体材料放入本发明所述的螺旋推进气氛烧结炉中进行热处理。
(1)采用抽真空***排出炉胆内的空气，然后输入氩气作为保护气体，调整气体输出速率，使炉体内气体的气压与外界大气压关系为：P＝1.05P0；
(2)调整相关参数，使炉内各段的温度如下：第一段150℃，第二段700℃，第三段200℃；
(3)调整螺纹块的角度及数量，使材料在第一段区间停留时间为2小时，在第二段区间为12小时，在第三段区间为5小时；
(4)将出料口输出的材料进行粉碎、过筛和制样，并测试，电池容量达到198mAh/g(0.2C)。
实施例2：
本实施例其他操作同实施例1，不同之处在于第二段的区间处理温度为750，处理时间为10小时。
将本实施例所制材料进行粉碎、过筛和制样，并测试，电池容量达到195mAh/g(0.2C)。
比较例1：
本比较例的工艺参数如气压、温度及处理时间与实施例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。
将本比较例所制材料进行粉碎、过筛和制样，并测试，电池容量达到190mAh/g(0.2C)。
上述实施例及比较例的结果说明，采用本发明所述的螺旋推进气氛烧结炉制备的三元锂电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，具有很高的应用价值。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种生产三元锂电材料的螺旋推进气氛烧结炉，包括炉体、动力***及支撑机构；其特征在于：还包括位于炉体内的贯通式炉膛、炉胆、位于炉体上方的进料口、位于炉体下方的出料口、穿过贯通式炉胆的螺旋式输送杆、连接炉胆的保护气体输入及气体压力控制装置和温度控制装置；所述炉胆前后贯穿所述贯通式炉膛，炉胆两端均采用密封机构密封；所述进料口连接至炉胆的一端、炉胆的另一端连接至出料口；其中，炉胆的前、中、后段根据不同的温度分为三个工艺区间，为第一段工艺区、第二段工艺区间和第三段工艺区间；
第一段工艺区间的长度为0.5-1.0米，温度为150-400℃；第二段工艺区间的长度为2.0-3.0米，温度为600-800℃；第三段工艺区间的长度为1.0-1.5米，温度为50-150℃；炉体内保护气体的压力P高于标准大气压P0，P与P0的关系为P=1.05-1.15P0；
所述螺旋式输送杆为材料的输送机构，螺旋式输送杆的杆体采用不同角度的螺纹块拼接组合而成；第一段工艺区间选择30-45度的螺纹块，第二段工艺区间选择60-75度的螺纹块，第三段工艺区间选择30-45度的螺纹块；三元锂电材料在各工艺区间的停留时间可以通过调整不同角度的螺纹块数量来进行调整。
2.根据权利要求1所述的生产三元锂电材料的螺旋推进气氛烧结炉，其特征在于：炉胆内的气压输入及控制装置中还包含抽真空***，所述抽真空***由真空泵及扩散泵组成；在输入保护气体前，通过抽真空***排尽炉胆内的空气，确保保护气体的纯度。
3.根据权利要求1所述的生产三元锂电材料的螺旋推进气氛烧结炉，其特征在于：进料口设有螺杆驱动下料装置。
4.根据权利要求1所述的生产三元锂电材料的螺旋推进气氛烧结炉，其特征在于：炉胆两端均采用密封机构密封，所述密封机构由密封元件与外侧防止密封元件失效的冷却水套组成。
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