鋰電池正極或負極材料的生產設備及工藝的製作方法
2023-09-13 05:02:35
專利名稱：鋰電池正極或負極材料的生產設備及工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種鋰電池正極或負極材料的生產設備及工藝，採用固相合成法生產鋰電池正極或負極材料。
背景技術：
鋰離子電池的生產是新興的行業，具有廣闊的發展前景。目前較為成熟的鋰離子電池正(負)極材料製備方法主要採用固相合成法，其主要優勢在於工藝十分簡單，製備條件容易控制。以錳酸鋰正極材料的製備過程為例，將Li2CO3與MnA原料顆粒混合，在 500-900°C的高溫煅燒數小時，即可得到錳酸鋰。以LiCoA正極材料的製備過程為例，將碳酸鋰Li2CO3和鈷的氧化物(如碳酸鈷CoC03、鹼式碳酸鈷2CoC03 · 3Co (OH)2 · 3H20、氧化亞鈷CoO、氧化鈷Co2O3或Co3O4等)顆粒按比例混合，在空氣氣氛下500-900°C煅燒若干小時固相熱合成製備而成。以鈦酸鋰負極材料的製備過程為例，將碳酸鋰Li2CO3和鈦的氧化物 (如Ti20，TiO, Ti2O3，Ti3O5，Ti4O7，TiO2,碳酸鈦、鹼式碳酸鈦等)顆粒按比例混合，在空氣氣氛500-900°C煅燒若干小時固相熱合成製備而成。然而固相合成法作為一種重要的鋰離子電池正(負)極材料製備方法，其生產製備工藝為球磨機混合後進入板式電爐加熱的不連續生產方式，自動化程度極低，很難適應大規模生產。因此，有必要通過生產工藝的改進，進一步提高生產的規模化，提高鋰離子電池性能並降低正(負)極材料的成本。
發明內容
本發明的目的是提供一種鋰電池正極或負極材料的生產設備及工藝，解決原有設備自動化程度低、無法實現連續生產的缺陷，實現高效、低能耗並連續生產鋰電池正極或負極材料的生產工藝。本發明的目的是以如下方式實現的該鋰電池正極或負極材料的生產設備，由給料裝置、流化床混合裝置、氣固分離器、螺旋連續走料反應裝置預熱段、螺旋連續走料反應裝置反應段以及冷卻裝置組成，螺旋連續走料反應裝置預熱段處於螺旋連續走料反應裝置反應段上部並且二者外部分別有加熱裝置、內部設置螺旋翻料器，螺旋連續走料反應裝置預熱段頂部裝置氣固分離器，螺旋連續走料反應裝置反應段下端連接冷卻裝置，冷卻裝置設置有產物出口，流化床混合裝置的上端連接氣固分離器，流化床混合裝置下端側面布置螺旋式給料裝置，給料裝置上設置原料入口，流化床混合裝置底部設置有流化進氣口，氣固分離器頂端設有氣體出口 ；螺旋連續走料反應裝置反應段底部設置反應段進氣口。流化床混合裝置下端布置的給料裝置至少一個，給料裝置或為2個、3個、4個，給料裝置為2個以上時周向均布。冷卻裝置為水套冷卻裝置，設置有冷卻器水進口和冷卻器出口。利用以上生產設備生產鋰電池正極或負極材料的工藝，採用以下流程鋰電池正極或負極製備原料首先經給料裝置進入流化床混合裝置；在流化床混合裝置中，鋰電池正極或負極製備原料充分混合，並經過氣固分離器分離後進入螺旋連續走料反應裝置預熱段；在螺旋連續走料反應裝置預熱段中，將鋰電池正極或負極製備原料預熱至200-600°C 後直接進入螺旋連續走料反應裝置反應段；在螺旋連續走料反應裝置反應段中，鋰電池正極或負極製備原料在300-900°C的溫度下，反應生成鋰電池正極或負極材料，而生成的鋰電池正極或負極材料則進入冷卻裝置；在冷卻裝置中對生成的鋰電池正極或負極材料進行冷卻，生成的鋰電池正極或負極材料最終從產物出口排出。鋰電池正極或負極製備原料的粒徑為0. 1-100 μ m。鋰電池正極或負極製備原料連續經過螺旋連續走料反應裝置預熱段、螺旋連續走料反應裝置反應段。流化床混合裝置底部的流化進氣口通有不參與生成鋰電池正極或負極材料反應的流化氣體。螺旋連續走料反應裝置反應段底部設置反應段進氣口通有參與或不參與生成鋰電池正極或負極材料反應的流化氣體。螺旋連續走料反應裝置預熱段和螺旋連續走料反應裝置反應段加熱裝置，其熱量通過電爐或高溫熱煙氣提供。本發明通過生產設備解決原有設備自動化程度低、無法實現連續生產的缺陷，實現高效、低能耗並連續生產鋰電池正極或負極材料的生產工藝，具有以下優點
(1)在正極或負極製備原料的混合階段，本發明能夠實現正極或負極製備原料的連續混合。目前較為成熟的混合技術採用的是將二至四種粒徑為ο. 1-ΙΟΟμπι鋰電池正極或負極製備原料加入裝有瑪瑙球的球磨機中混合，經過3-5小時後從球磨機中排出，因此無法實現連續混合，本發明則利用流化床的強烈混合能力，將鋰電池正極或負極製備原料經給料裝置連續加入流化床混合裝置中，實現了對鋰電池正極或負極製備原料的連續混合，省略了由於使用磨球機所帶來的停機加料，排料過程。即節約了人力成本，又提高了生產效率。(2)由於本發明採用流化床作為混合裝置，其極強的擾動能力能夠使正極或負極製備原料混合均勻，從而解決了由於局部結構的非均一性導致的電化學性能下降的問題。(3)在正極或負極製備原料的反應階段，本發明能夠實現鋰電池正極或負極材料的連續生產。在反應階段，目前的工藝過程主要是將正極或負極製備原料手工分裝至各個坩堝中並開通風孔後，放入板式電爐中經預熱階段、反應階段以及冷卻階段後，手工取出。 整個反應階段，自動化程度及生產效率較低，無法滿足大規模生產的需求。本發明則利用螺旋連續走料反應裝置，將正極或負極製備原料由上到下，利用螺旋走料方式連續經過，預熱階段、反應階段及冷卻階段後，實現鋰電池正極或負極材料的製備。省略了目前工藝過程中的手工環節，提高了生產效率，使之能夠適應大規模生產的要求。(4)在正極或負極製備原料的反應階段，傳統工藝中，正極或負極製備原料坩堝中無相對運動，造成其晶粒無規則形狀，晶界尺寸較大，粒度分布範圍寬，從而降低了其電化學性能。而利用螺旋走料方式則增加了顆粒之間的相對運動，使晶粒具備了結構均一、晶界尺寸小、粒徑分布範圍小等優點，提高了其電化學性能。(5)本發明可以極大地降低反應裝置佔地面積，與傳統的工藝相比其佔地面積能降低 40%-70%。(6)在傳統的工藝流程中，採用了電加熱來維持反應所需溫度。本發明可以採用燃
4燒器直接燃燒天然氣、合成氣、油以及煤等化石燃料，利用燃燒後的高溫煙氣為反應裝置預熱段和反應段提供熱量，維持反應溫度。化石燃料為一次能源，電能是二次能源，與直接電加熱相比，採用化石燃料更為經濟，具有明顯的節能效果。
圖1為本發明一種設備的結構示意圖。圖2為本發明另一種設備的結構示意圖。圖3為本發明第三種設備的結構示意圖。
具體實施例方式參照圖1、圖2、圖3，該鋰電池正極或負極材料的生產設備，它由給料裝置1、流化床混合裝置2、氣固分離器3、螺旋連續走料反應裝置預熱段4、螺旋連續走料反應裝置反應段5以及冷卻裝置6組成，螺旋連續走料反應裝置預熱段4處於螺旋連續走料反應裝置反應段5上部並且二者外部分別有加熱裝置、內部設置螺旋翻料器，螺旋連續走料反應裝置預熱段4頂部裝置氣固分離器3，螺旋連續走料反應裝置反應段5下端連接冷卻裝置6，冷卻裝置6設置有產物出口 E，流化床混合裝置2的上端連接氣固分離器3，流化床混合裝置2 下端側面布置螺旋式給料裝置1，給料裝置1上設置原料入口 A，流化床混合裝置2底部設置有流化進氣口 B，氣固分離器3頂端設有氣體出口 G ；螺旋連續走料反應裝置反應段5底部設置反應段進氣口 C。冷卻裝置6為水套冷卻裝置，設置有冷卻器水進口 D和冷卻器出口 F。其中圖1示出了流化床混合裝置2下端布置一個給料裝置1的情況；圖2示出了兩個給料裝置1的情況，第一給料裝置1-1和第二給料裝置1-2對稱布置；圖3出了三個給料裝置1的情況，第一給料裝置1-1、第二給料裝置1-2和第三給料裝置1-3沿周向均布。圖1、 圖2、圖3除了因為給料裝置1的數量不同外，其它部分結構相同。通過以上設備生產鋰電池正極或負極材料的工藝，採用以下流程鋰電池正極或負極製備原料首先經給料裝置1進入流化床混合裝置2 ；在流化床混合裝置2中，鋰電池正極或負極製備原料充分混合，並經過氣固分離器3分離後進入螺旋連續走料反應裝置預熱段4 ；在螺旋連續走料反應裝置預熱段4中，將鋰電池正極或負極製備原料預熱至 200-60(TC後直接進入螺旋連續走料反應裝置反應段5 ；在螺旋連續走料反應裝置反應段5 中，鋰電池正極或負極製備原料在300-900°C的溫度下，反應生成鋰電池正極或負極材料， 而生成的鋰電池正極或負極材料則進入冷卻裝置6 ；在冷卻裝置6中對生成的鋰電池正極或負極材料進行冷卻，生成的鋰電池正極或負極材料最終從產物出口 E排出。鋰電池正極或負極製備原料的粒徑為0. 1-100 μ m。鋰電池正極或負極製備原料連續經過螺旋連續走料反應裝置預熱段4、螺旋連續走料反應裝置反應段5。流化床混合裝置2底部的流化進氣口 B通有不參與生成鋰電池正極或負極材料反應的流化氣體。螺旋連續走料反應裝置反應段5底部設置反應段進氣口C通有參與或不參與生成鋰電池正極或負極材料反應的流化氣體。螺旋連續走料反應裝置預熱段4和螺旋連續走料反應裝置反應段5加熱裝置，其熱量通過電爐或高溫熱煙氣提供。具體實例1
一種錳酸鋰電池正極材料的生產工藝如附圖2所示，將粒徑為0. 1-100 μ m的碳酸鋰
5LiC03和錳的含氧化合物(如Mn304、Mn203、Mn02等)顆粒分別由第一給料裝置1_1和第二給料裝置1-2進入流化床混合裝置2，在流化床混合裝置2中碳酸鋰LiC03和錳的含氧化合物(如Mn304、Mn203、Mn02等)顆粒由通入流化床混合裝置2的氮氣(或空氣或熱煙氣)實現流化並充分混合，並經過氣固分離器3分離後進入螺旋連續走料反應裝置預熱段4，在溫度為200-500°C螺旋連續走料反應裝置預熱段4中，將碳酸鋰LiC03和錳的含氧化合物(如 Mn304、Mn203、Mn02等)的混合物預熱若干小時後直接進入螺旋連續走料反應裝置反應段 5，在螺旋連續走料反應裝置反應段5中，鋰電池正極製備原料在300-900°C的溫度下，反應 2^15小時後生成錳酸鋰，生成的錳酸鋰則進入冷卻裝置6，在螺旋連續走料反應裝置反應段5下部反應段進氣口 C通入流化氣體空氣(或氮氣或熱煙氣)，在冷卻裝置6中採用表面式水冷卻方式對生成的錳酸鋰進行冷卻，冷卻水從冷卻器水進口 D流入，並從冷卻器水出口 F 流出；生成的錳酸鋰最終從產物出口 E排出，反應裝置預熱段和反應段的熱量可通過電爐或高溫熱煙氣提供。具體實例2
一種磷酸鐵鋰電池正極材料的生產工藝如圖3所示，將粒徑為0. 1-100 μ m碳酸鋰、磷酸鐵(或磷酸亞鐵)、還原劑顆粒分別由第一給料裝置1-1、第二給料裝置1-2和第三給料裝置1-3進入流化床混合裝置2，在流化床混合裝置2中碳酸鋰、磷酸鐵(或磷酸亞鐵)、還原劑顆粒由通入流化床混合裝置2的氮氣(或空氣或熱煙氣)實現流化並充分混合，並經過氣固分離器3分離後進入螺旋連續走料反應裝置預熱段4，在溫度為200-600°C螺旋連續走料反應裝置預熱段4中，將碳酸鋰、磷酸鐵(或磷酸亞鐵)、還原劑顆粒的混合物預熱5小時後直接進入螺旋連續走料反應裝置反應段5，在螺旋連續走料反應裝置反應段5中，在 400-900°C的溫度下經過2 15小時反應生成磷酸鐵鋰；生成的磷酸鐵鋰則進入冷卻裝置6， 在螺旋連續走料反應裝置反應段5下部反應段進氣口 C通入流化氣體氮氣或熱煙氣(嚴格控制含氧量)，在冷卻裝置6中採用表面式水冷卻方式對生成的磷酸鐵鋰進行冷卻，冷卻水從冷卻器水進口 D流入，並從冷卻器水出口 F流出；生成的磷酸鐵鋰最終從產物出口 E排出，反應裝置預熱段和反應段的熱量可通過電爐或高溫熱煙氣提供。具體實例3
一種三元型鋰電池正極材料的生產工藝如圖2所示，將粒徑為0. 1-100 μ m碳酸鋰、 Ni-含氧化合物、Co-含氧化合物、Mn-含氧化合物等顆粒分別由第一給料裝置1-1和第二給料裝置1-2加入流化床混合裝置2，在流化床混合裝置2中碳酸鋰、Ni-含氧化合物、Co-含氧化合物、Mn-含氧化合物等顆粒由通入流化床混合裝置2的氮氣實現流化並充分混合，並經過氣固分離器3分離後進入螺旋連續走料反應裝置預熱段4，在溫度為200-600°C螺旋連續走料反應裝置預熱段4中，將碳酸鋰、Ni-含氧化合物、Co-含氧化合物、Mn-含氧化合物顆粒的混合物預熱2 15小時後直接進入螺旋連續走料反應裝置反應段5，在螺旋連續走料反應裝置反應段5中，在500-900°C的溫度下經過2 15小時反應生成三元型鋰電池正極材料；生成的三元型鋰電池正極材料則進入冷卻裝置6，在螺旋連續走料反應裝置反應段5下部反應段進氣口 C通入流化氣體空氣(或氮氣或熱煙氣)，在冷卻裝置6中採用表面式水冷卻方式對生成的三元型鋰電池正極材料進行冷卻，冷卻水從冷卻器水進口 D流入，並從冷卻器水出口 F流出；生成的三元型鋰電池正極材料最終從產物出口 E排出，反應裝置預熱段和反應段的熱量可通過電爐或高溫熱煙氣提供。
具體實例4
一種鈦酸鋰鋰電池負極材料的生產工藝如附圖2所示，將粒徑為10 μ m碳酸鋰、鈦的含氧化合物等顆粒分別由第一給料裝置1-1和第二給料裝置1-2加入流化床混合裝置2，在流化床混合裝置2中碳酸鋰、鈦的含氧化合物等顆粒由通入流化床混合裝置2的氮氣實現流化並充分混合，並經過氣固分離器3分離後進入螺旋連續走料反應裝置預熱段4，在溫度為 200-500°C螺旋連續走料反應裝置預熱段4中，將碳酸鋰、鈦的含氧化合物等顆粒的混合物預熱2 15小時後直接進入螺旋連續走料反應裝置反應段5，在螺旋連續走料反應裝置反應段5中，在500-900°C的溫度下經過2 15小時反應生成鈦酸鋰；生成的鈦酸鋰則進入冷卻裝置6，在螺旋連續走料反應裝置反應段5下部反應段進氣口 C通入流化氣體空氣(或氮氣或熱煙氣)，在冷卻裝置6中採用表面式水冷卻方式對生成的鈦酸鋰進行冷卻，冷卻水從冷卻器水進口 D流入，並從冷卻器水出口 F流出；生成的鈦酸鋰鋰電池負極材料最終從產物出口 E排出，反應裝置預熱段和反應段的熱量可通過電爐或高溫熱煙氣提供。具體實例5
一種鈷酸鋰鋰電池正極材料的生產工藝如圖2所示，將粒徑為0. 1-100 μ m碳酸鋰、鈷的含氧化化物(如碳酸鈷CoC03、鹼式碳酸鈷2CoC03 ·3&) (OH) 2 ·3Η20、氧化亞鈷CoO、氧化鈷Co203或Co304等)由第一給料裝置1_1和第二給料裝置1_2加入流化床混合裝置2， 向流化床混合裝置底端A通入空氣(或氮氣)，進入流化床混合裝置2的碳酸鋰、鈷的含氧化化物(如碳酸鈷CoC03、鹼式碳酸鈷2CoC03 · 3Co (OH) 2 · 3H20、氧化亞鈷CoO、氧化鈷Co203 或Co304等)在流化床混合裝置中流化並充分混合；碳酸鋰、鈷的含氧化化物(如碳酸鈷 CoC03、鹼式碳酸鈷2CoC03 · 3Co (OH) 2 · 3H20、氧化亞鈷CoO、氧化鈷Co203或Co304等)經過氣固分離器3分離後進入螺旋連續走料反應裝置預熱段4，在溫度為200-500°C螺旋連續走料反應裝置預熱段4中，將碳酸鋰、鈷的氧化物(如碳酸鈷CoC03、鹼式碳酸鈷2CoC03 3Co (OH) 2 · 3H20、氧化亞鈷CoO、氧化鈷Co203或Co304等)顆粒的混合物預熱2 15小時後直接進入螺旋連續走料反應裝置反應段5，在螺旋連續走料反應裝置反應段5中，在 500-900°C的溫度下經過2 15小時反應生成鈷酸鋰；生成的鈷酸鋰則進入冷卻裝置6，在冷卻裝置6中採用表面式水冷卻方式對生成的鈷酸鋰進行冷卻，在螺旋連續走料反應裝置反應段5下部反應段進氣口 C通入流化氣體空氣(或氮氣或熱煙氣)，冷卻水從冷卻器水進口 D 流入，並從冷卻器水出口 F流出；生成的鈷酸鋰鋰電池負極材料最終從產物出口 E排出，反應裝置預熱段和反應段的熱量可通過電爐或高溫熱煙氣提供。
權利要求
1.一種鋰電池正極或負極材料的生產設備，其特徵在於它由給料裝置(1)、流化床混合裝置(2)、氣固分離器(3)、螺旋連續走料反應裝置預熱段(4)、螺旋連續走料反應裝置反應段(5)以及冷卻裝置(6)組成，螺旋連續走料反應裝置預熱段(4)處於螺旋連續走料反應裝置反應段(5)上部並且二者外部分別有加熱裝置、內部設置螺旋翻料器，螺旋連續走料反應裝置預熱段(4 )頂部裝置氣固分離器(3 )，螺旋連續走料反應裝置反應段(5 )下端連接冷卻裝置(6)，冷卻裝置(6)設置有產物出口(E)，流化床混合裝置(2)的上端連接氣固分離器(3 )，流化床混合裝置(2 )下端側面布置螺旋式給料裝置(1)，給料裝置(1)上設置原料入口(A)，流化床混合裝置(2)底部設置有流化進氣口(B)，氣固分離器(3)頂端設有氣體出口 (G)；螺旋連續走料反應裝置反應段(5)底部設置反應段進氣口(C)。
2.根據權利要求1所述的鋰電池正極或負極材料的生產設備，其特徵在於流化床混合裝置(2)下端布置的給料裝置(1)至少一個，給料裝置(1)或為2個、3個、4個，給料裝置 (1)為2個以上時周向均布。
3.根據權利要求1所述的鋰電池正極或負極材料的生產設備，其特徵在於冷卻裝置 (6)為水套冷卻裝置，設置有冷卻器水進口(D)和冷卻器出口(F)。
4.一種利用權利要求1或2或3的生產設備生產鋰電池正極或負極材料的工藝，其特徵在於採用以下流程鋰電池正極或負極製備原料首先經給料裝置(1)進入流化床混合裝置(2);在流化床混合裝置(2)中，鋰電池正極或負極製備原料充分混合，並經過氣固分離器 (3 )分離後進入螺旋連續走料反應裝置預熱段(4 )；在螺旋連續走料反應裝置預熱段(4 )中， 將鋰電池正極或負極製備原料預熱至200-600°C後直接進入螺旋連續走料反應裝置反應段(5);在螺旋連續走料反應裝置反應段(5)中，鋰電池正極或負極製備原料在300-900°C的溫度下，反應生成鋰電池正極或負極材料，而生成的鋰電池正極或負極材料則進入冷卻裝置(6)；在冷卻裝置(6)中對生成的鋰電池正極或負極材料進行冷卻，生成的鋰電池正極或負極材料最終從產物出口(E)排出。
5.根據權利要求4中所述的生產鋰電池正極或負極材料的工藝，其特徵在於鋰電池正極或負極製備原料的粒徑為0. 1-100 μ m。
6.根據權利要求4中所述的生產鋰電池正極或負極材料的工藝，其特徵在於鋰電池正極或負極製備原料連續經過螺旋連續走料反應裝置預熱段(4)、螺旋連續走料反應裝置反應段(5)。
7.根據權利要求4中所述的生產鋰電池正極或負極材料的工藝，其特徵在於流化床混合裝置(2)底部的流化進氣口(B)通有不參與生成鋰電池正極或負極材料反應的流化氣體。
8.根據權利要求4中所述的生產鋰電池正極或負極材料的工藝，其特徵在於螺旋連續走料反應裝置反應段(5)底部設置反應段進氣口(C)通有參與或不參與生成鋰電池正極或負極材料反應的流化氣體。
9.根據權利要求4中所述的生產鋰電池正極或負極材料的工藝，其特徵在於螺旋連續走料反應裝置預熱段(4)和螺旋連續走料反應裝置反應段(5)加熱裝置，其熱量通過電爐或高溫熱煙氣提供。
全文摘要
一種鋰電池正極或負極材料的生產設備及工藝，生產設備由給料裝置、流化床混合裝置、氣固分離器、螺旋連續走料反應裝置預熱段、螺旋連續走料反應裝置反應段以及冷卻裝置組成；鋰電池正極或負極製備原料首先經給料裝置進入流化床混合裝置，充分混合後經過氣固分離器分離後依次進入螺旋連續走料反應裝置預熱段和螺旋連續走料反應裝置反應段，加熱反應生成鋰電池正極或負極材料，而後進入冷卻裝置進行冷卻後最終從產物出口排出。本發明可以實現高效、低能耗並連續生產鋰電池正極或負極材料的目的。
文檔編號H01M4/48GK102427128SQ20111041416
公開日2012年4月25日 申請日期2011年12月13日 優先權日2011年12月13日
發明者向文國, 李俊峰, 段鈺鋒, 王嶽, 蔣永樂, 蔣永善, 賀兆書 申請人:濟寧市無界科技有限公司