锂离子电池电极活性材料制备装置 |
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| 申请号 | CN201420270098.8 | 申请日 | 2014-05-26 | 公开(公告)号 | CN203895545U | 公开(公告)日 | 2014-10-22 |
| 申请人 | 江苏华东锂电技术研究院有限公司; 清华大学; | 发明人 | 何向明; 王莉; 张建利; 罗晶; 李建军; 尚玉明; 刘少军; 任玉梅; | ||||
| 摘要 | 本实用新型涉及一种 锂离子 电池 电极 活性材料制备装置，包括粉体输入系统、粉体脱 水 系统、第二 温度 烧结 系统、第三温度烧结系统、粉体冷却系统、粉体输出系统、 电路 控制系统和气体控制系统。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种锂离子电池电极活性材料制备装置，其特征在于，包括粉体输入系统、粉体脱水系统、第二温度烧结系统、第三温度烧结系统、粉体冷却系统、粉体输出系统、电路控制系统和气体控制系统， |
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| 说明书全文 | 锂离子电池电极活性材料制备装置技术领域背景技术[0003] 磷酸铁锂作为一种具有较好安全性，价格低廉且对环境友好的锂离子电池正极活性材料一直受到人们极大关注。目前磷酸铁锂在实验室中的合成方法主要有高温固相法、喷雾法、水热合成法、共沉淀法、乳剂干燥法和微波合成法等。在工业上磷酸铁锂主要通过高温固相法大规模合成。然而，工业上合成磷酸铁锂的设备目前仍然为不连续的分阶段设备，仅能实现间歇性生产，这导致了不同批次生产的磷酸铁锂产品性能不一致。发明内容 [0004] 有鉴于此，确有必要提供一种锂离子电池电极活性材料制备装置，通过该装置能够实现锂离子电池电极活性材料，特别是磷酸铁锂的大规模制备，满足工业化产品性一致性需要。 [0005] 一种锂离子电池电极活性材料制备装置，包括粉体输入系统、粉体脱水系统、第二温度烧结系统、第三温度烧结系统、粉体冷却系统、粉体输出系统、电路控制系统和气体控制系统，该粉体脱水系统包括第一传动装置、第一粉体输运装置、第一炉管及第一温度加热装置，该第一炉管竖直设置，包括位于底端的第一进粉端及位于顶端的第一出粉端，该第一进粉端与该粉体输入系统相连；该第二温度烧结系统包括第二传动装置、第二粉体输运装置、第二炉管及第二温度烧结装置，该第二炉管竖直设置，包括位于底端的第二进粉端及位于顶端的第二出粉端，该第二炉管的第二进粉端与该第一炉管的第一出粉端通过第一管道连通；该第三温度烧结系统包括第三传动装置、第三粉体输运装置、第三炉管和第三温度烧结装置，该第三炉管竖直设置，包括位于底端的第三进粉端及位于顶端的第三出粉端，该第三炉管的第三进粉端与第二炉管的第二出粉端通过第二管道连通；该粉体冷却系统包括第四传动装置、第四粉体输运装置、第四炉管及冷却装置，该第四炉管水平设置，包括第四进粉端及第四出粉端，该第四炉管的第四进粉端与第三炉管的第三出粉端连通，该第四出粉端与该粉体输出系统相连。 [0006] 本实用新型通过粉体脱水系统、第二温度烧结系统、第三温度烧结系统及粉体冷却系统的配合，实现了产品大规模工业化连续生产，大大提高了锂离子电池电极活性材料产品的一致性。通过竖直设置该第一炉管、第二炉管及第三炉管不但可以节约占地面积，便于操作，也能够防止部分生料烧结不完全，并且当设备停止或故障时便于清理。附图说明 [0007] 图1为本实用新型实施例锂离子电池电极活性材料制备装置的结构示意图。 [0008] 主要元件符号说明 [0009]锂离子电池电极活性材料制备装置 10 粉体输入系统 100 粉体脱水系统 200 第一传动装置 210 第一粉体输运装置 220 第一炉管 230 第一进粉端 232 第一出粉端 234 第一进气口 236 第一温度加热装置 240 第一管道 250 第二温度烧结系统 300 第二传动装置 310 第二粉体输运装置 320 第二炉管 330 第二进粉端 332 第二出粉端 334 第二进气口 336 第二温度烧结装置 340 第二管道 350 第三温度烧结系统 400 第三传动装置 410 第三粉体输运装置 420 第三炉管 430 第三进粉端 432 第三出粉端 434 第三进气口 436 第三温度烧结装置 440 第三管道 450 粉体冷却系统 500 第四传动装置 510 第四粉体输运装置 520 第四炉管 530 第四进粉端 532 第四出粉端 534 排气口 536 冷却装置 540 粉体输出系统 600 电路控制系统 700 传动装置控制系统 710 炉管加热控制系统 720 气体控制系统 800 [0010] 如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。 具体实施方式[0011] 下面将结合附图及具体实施例对本实用新型提供的锂离子电池电极活性材料制备装置作进一步的详细说明。 [0012] 请参阅图1，本实用新型提供一种锂离子电池电极活性材料制备装置10，包括粉体输入系统100、粉体脱水系统200、第二温度烧结系统300、第三温度烧结系统400、粉体冷却系统500、粉体输出系统600、电路控制系统700和气体控制系统800。该第二温度小于第三温度。 [0013] 该锂离子电池电极活性材料制备装置10可以用于合成锂离子电池正极活性材料或负极活性材料，主要是锂过渡金属复合氧化物类活性材料，例如磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂及钛酸锂。用于合成锂离子电池电极活性材料的原料粉体通过该粉体输入系统100输入该锂离子电池电极活性材料制备装置制备装置中。在本实施例中，该锂离子电池电极活性材料制备装置10为磷酸铁锂制备装置，用于合成磷酸铁锂，磷酸铁锂的原料粉体通过该粉体输入系统100输入该制备装置10中。 [0014] 该粉体脱水系统200包括第一传动装置210、第一粉体输运装置220、第一炉管230及第一温度加热装置240。该第一炉管230竖直设置，包括位于底部的第一进粉端232、位于顶部的第一出粉端234及靠近该第一出粉端234的第一进气口236。该第一进粉端232与该粉体输入系统100相连。 [0015] 该第一温度加热装置240的加热温度可以为60℃~100℃，可以包括一套设在该第一炉管230外表面的加热管，用于加热该第一炉管230。由于该第一温度较低，该第一温度加热装置240可以为油浴加热装置或水浴加热装置。 [0016] 该第一粉体输运装置220设置在该第一炉管230内部，通过该第一传动装置210驱动，将原料粉体从该位于底部的第一进粉端232不断向上输运至顶部的第一出粉端234，即原料粉体在该第一炉管230中从下至上运行。该原料粉体可以包括锂源、磷源及铁源，还可进一步包括碳源。由于该原料粉体中存在吸附水和二氧化碳、氧气等气体，在后续的合成过程中，水及二氧化碳、氧气等气体均会对合成反应产生较大影响，需要预先去除。该粉体脱水系统200用于脱除该原料粉体表面吸附的水和二氧化碳及氧气。 [0017] 该气体控制系统800通过该第一进气口236向该第一炉管230中通入保护性气体，如氮气。 [0018] 该第一炉管230还可进一步包括一设置在管壁上的观察窗（图未标），便于用户对第一炉管230内部的原料粉体的状态进行观察。 [0019] 该粉体脱水系统200还可进一步包括一压力检测装置（图未标）及气体检测装置（图未标），分别设置在该第一炉管230上，该压力检测装置用于检测炉管内部的气体压力，该气体检测装置用于检测炉管内部的气体组分。 [0020] 该第二温度烧结系统300包括第二传动装置310、第二粉体输运装置320、第二炉管330及第二温度烧结装置340。该第二炉管330竖直设置，包括位于底部的第二进粉端332、位于顶部的第二出粉端334及靠近第二出粉端334的第二进气口336。该第二炉管330的第二进粉端332与该第一炉管230的第一出粉端234通过密闭的第一管道250连通。 [0021] 该第一炉管230及第二炉管330均竖直设置，且长度和水平高度基本一致。该第一管道250可以为直线型管道，使从位于顶端的第一出粉端234的粉体容易地输送至位于底端的第二进粉端332。由于该粉体从位于顶端的第一出粉端234通过该第一管道250运行至位于底端的第二进粉端332需要经历一个较长的路径，可以在该第一管道250中进行进一步混合，从而提高产品的均匀性。 [0022] 该第二温度烧结装置340的烧结温度可以为100℃~300℃，可以包括绕设在该第二炉管330外的电阻丝、包围在该电阻丝外的保温层及与该第二炉管330接触的热电偶，用于对加热温度进行探测及控制。在一实施例中，该第二温度烧结装置340的烧结温度为200℃。 [0023] 该第二粉体输运装置320设置在该第二炉管330内部，通过该第二传动装置310驱动，将经过第一炉管230的粉体从该位于底部的第二进粉端332不断向上输运至位于顶部的该第二出粉端334，即原料粉体在该第二炉管330中从下至上运行。由于反应原料，如锂源、磷源及铁源可能进一步含有结晶水，而低分子碳源需要经过裂解形成导电碳，结晶水的脱出及碳源的裂解将产生大量水汽及二氧化碳等气体，均会对磷酸铁锂的合成反应产生较大影响，需要预先去除。该第二温度烧结装置340用于脱除锂源、磷源及铁源中的结晶水，并使碳源发生裂解反应。该第一炉管230与第二炉管330可具有相同的管径。 [0024] 该第二炉管330还可进一步包括一设置在管壁上的观察窗（图未标），便于用户对第二炉管330内部的粉体的状态进行观察。 [0025] 该第二温度烧结系统300还可进一步包括一压力检测装置（图未标）及气体检测装置（图未标），分别设置在该第二炉管330上，该压力检测装置用于检测炉管内部的气体压力，该气体检测装置用于检测炉管内部的气体组分。 [0026] 该第三温度烧结系统400包括第三传动装置410、第三粉体输运装置420、第三炉管430和第三温度烧结装置440。该第三炉管430竖直设置，包括位于底部的第三进粉端432、位于顶部的第三出粉端434及靠近该第三出粉端434的第三进气口436。该第三炉管 430的第三进粉端432与第二炉管330的第二出粉端334通过密闭的第二管道350连通。 [0027] 该第二炉管330及第三炉管430均竖直设置，且长度和水平高度基本一致。该第二管道350可以为直线型管道，使从位于顶端的第二出粉端334的粉体容易地输送至位于底端的第三进粉端432。由于该粉体从位于顶端的第二出粉端334通过该第二管道350运行至位于底端的第三进粉端432需要经历一个较长的路径，可以在该第二管道350中进行进一步混合，从而提高产品的均匀性。 [0028] 该第三温度烧结装置440的烧结温度可以为300℃~700℃，可以包括绕设在该第三炉管430外的电阻丝、包围在该电阻丝外的保温层及与该第三炉管430接触的热电偶，用于对加热温度进行探测及控制。在一实施例中，该第三温度烧结装置440的烧结温度为650℃。 [0029] 该第三粉体输运装置420设置在该第三炉管430内部，通过该第三传动装置410驱动，将经过第二炉管330的粉体从位于底部的该第三进粉端432不断向上输运至位于顶部的该第三出粉端434，即原料粉体在该第三炉管430中从下至上运行。该第三温度烧结装置440用于锂离子电池电极活性材料，如磷酸铁锂的合成，使磷酸铁锂开始逐步成核并生长，且包覆在粉体表面碳源进一步碳化，形成导电碳层。 [0030] 该第二炉管330与第三炉管430可具有相同的管径。该保护性气体从该第三进气口436输入至该第三炉管430。该第三进气口436可设置在该第三炉管430的第三出粉端434附近。 [0031] 该第三炉管430还可进一步包括一设置在管壁上的观察窗（图未标），便于用户对第三炉管430内部的粉体的状态进行观察。 [0032] 该第三温度烧结系统400还可进一步包括一压力检测装置（图未标）及气体检测装置（图未标），分别设置在该第三炉管430上，该压力检测装置用于检测炉管内部的气体压力，该气体检测装置用于检测炉管内部的气体组分。该粉体冷却系统500包括第四传动装置510、第四粉体输运装置520、第四炉管530及冷却装置540。该第四炉管530包括第四进粉端532、第四出粉端534及排气口536。该第四炉管530的第四进粉端532与第三炉管430的第三出粉端434通过密闭的第三管道450连通。该第四出粉端534与该粉体输出系统600相连。 [0034] 该第四粉体输运装置520设置在该第四炉管530内部，通过该第四传动装置510驱动，将经过第四炉管530的粉体从该第四进粉端532不断输运至该第四出粉端534。 [0035] 该第四炉管530可以呈水平设置。该第三炉管430与第四炉管530可具有相同的管径。该保护性气体从该第四进粉端532输入至该第四炉管530，并从该排气口536排出。该得到的产物粉体通过该第四出粉端534进入该粉体输出系统600。 [0036] 该电路控制系统700可以与该第一传动装置210、第二传动装置310、第三传动装置410及第四传动装置510连接，为传动装置提供电力。 [0037] 该气体控制系统800与该第一进气口236、第二进气口336及第三进气口436相连。该气体控制系统800通过该第一进气口236、第二进气口336及第三进气口436向该第一炉管230、第二炉管330及第三炉管430中通入保护性气体，如氮气。 [0038] 该第一传动装置210、第二传动装置310、第三传动装置410及第四传动装置510为磁力耦合传动装置或机械传动装置。 [0039] 该第一粉体输运装置220、第二粉体输运装置320、第三粉体输运装置420及第四粉体输运装置520分别为同轴设置在该第一炉管230、第二炉管330、第三炉管430及第四炉管530中的螺杆，该螺杆包括螺旋翼，可以通过转动带动粉体沿炉管的轴向前进，该螺旋翼的外径与所在炉管内径的比值在0.90至0.99。 [0040] 该第一炉管230、第二炉管330、第三炉管430及第四炉管530可以为不锈钢管，横截面为圆环型，且该第一炉管230及第二炉管330的内壁具有表面涂覆层，防止粉体粘附在炉管的管壁上。该表面涂覆层的材料为聚四氟乙烯或陶瓷。 [0041] 本实用新型实施例提供的锂离子电池电极活性材料制备装置具有以下特点：通过竖直设置该第一炉管、第二炉管及第三炉管不但可以节约占地面积，便于操作，也能够防止部分生料烧结不完全，并且当设备停止或故障时便于清理。从原料的输入到产品的输出采用不锈钢无缝钢管，在动力传动方面，采用磁力耦合传动装置，避免了接口处的漏气。产品的一致性一直是困扰磷酸铁锂产品的重要难题，本实用新型实施例的锂离子电池电极活性材料制备装置控制粉体输运装置与炉管内壁的间隙，避免粉体在推进过程的残留问题，确保产品在同样的烧结条件下合成，大大提高了产品的一致性。并且，针对蔗糖等碳源粘壁的问题，对炉管内壁表面进行了防粘壁处理。另外，在制备过程中的杂质会影响锂离子电池电极活性材料容量等电化学性能，本装置采用不锈钢作为炉管的材料或者通过对炉管内壁进行陶瓷表面处理，避免了铁等金属杂质的引入。本实用新型提供的锂离子电池电极活性材料制备装置实现了产品大规模工业化生产，大大提高了锂离子电池电极活性材料产品的生产效率。 [0042] 另外，本领域技术人员还可在本实用新型精神内做其他变化，当然，这些依据本实用新型精神所做的变化，都应包含在本实用新型所要求保护的范围之内。 |
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