CN102522526B - 转炉式锂电池正极或负极材料的生产设备及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种转炉式锂电池正极或负极材料的生产设备及工艺，生产设备由给料器、流化床混合装置、气固沉降气固分离组件、烟气管、转炉、燃烧器、下料管、电机以及颗粒冷却器组成；工艺流程为：制备原料通过给料器进入流化床混合装置，与通入的空气混合并被空气夹带至气固沉降气固分离组件，制备原料与空气发生分离，制备原料进入转炉，制备原料在500-900℃的温度下反应生成锂电池正极或负极极材料，生成的锂电池正极或负极材料进入颗粒冷却器冷却后排出。本发明通过生产设备解决原有设备自动化程度低、无法实现连续生产的缺陷，实现高效、低能耗并连续生产锂电池正极或负极材料的生产工艺。

Description

转炉式锂电池正极或负极材料的生产设备及工艺
技术领域
本发明涉及一种锂电池正极或负极材料的生产设备及工艺，尤其是一种转炉式连续生产锂电池正极或负极材料的生产设备及工艺。
背景技术
锂电池是一种高效的电池，广泛运用于手机、笔记本电脑、电台等移动电子通信设备和电动汽车电池中。目前较为成熟的锂电池正极或负极极材料生产制备方法是固相合成法，其主要特点是工艺流程简单，制备条件容易控制。以锰酸锂正极材料的制备过程为例，将Li2CO3与MnO2原料颗粒混合，在500-900℃的高温煅烧数小时，即可得到锰酸锂。以LiCoO2正极材料的制备过程为例，将碳酸锂Li2CO3和钴的氧化物（如碳酸钴CoCO3、碱式碳酸钴2CoCO3·3Co(OH)2·3H2O、氧化亚钴CoO、氧化钴Co2O3或Co3O4等）颗粒按比例混合，在空气气氛下500-900℃煅烧若干小时固相热合成制备而成。以钛酸锂负极材料的制备过程为例，将碳酸锂Li2CO3和钛的氧化物（如Ti2O，TiO，Ti2O3，Ti3O5，Ti4O7，TiO2，碳酸钛、碱式碳酸钛等）颗粒按比例混合，在空气气氛下500-900℃煅烧若干小时固相热合成制备而成。固相合成法作为一种重要的锂电池正极或负极材料的生产方法，通常是将混合后的固体原料放入电阻式坩埚中高温持续加热，该生产过程不连续，生产规模小，能耗高，原料颗粒接触和受热不均匀影响产品性能。因此，有必要对生产工艺进行改进，提高产品性能和生产规模，减少生产能耗，降低生产成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种转炉式锂电池正极或负极材料的生产设备及工艺，解决原有设备自动化程度低、无法实现连续生产的缺陷，实现高效、低能耗并连续生产锂电池正极或负极材料的生产工艺。
本发明的目的是以如下方式实现的：该转炉式锂电池正极或负极材料的生产设备，由给料器、流化床混合装置、气固沉降气固分离组件、烟气管、转炉、燃烧器、下料管、电机以及颗粒冷却器组成，流化床混合装置下端外侧设置带有进料口的螺旋式给料器，流化床混合装置上端连接气固沉降气固分离组件，固沉降气固分离组件经过烟气管和下料管连通由电机驱动的转炉的一端，转炉的另一端与燃烧器和颗粒冷却器连接，颗粒冷却器设置出料口和冷却器进气口，颗粒冷却器的出气口连于燃烧器，燃烧器设置有燃烧器燃料进口，流化床混合装置底部设置流化床进气口，气固沉降气固分离组件设置气固分离组件出气口。
气固沉降气固分离组件由第一气固分离器、第二气固分离器、第三气固分离器嵌接而成。
利用以上生产设备生产锂电池正极或负极材料的工艺，工艺流程包括：
a.锂电池正极或负极制备原料通过给料器进料口连续进入流化床混合装置；
b.在流化床混合装置底端流化床进气口通入空气，锂电池正极或负极制备原料充分混合，并被空气夹带至气固沉降气固分离组件；
c.在气固沉降气固分离组件中，锂电池正极或负极制备原料与空气发生分离，空气从气固分离组件出气口逸出，锂电池正极或负极制备原料捕集落入下料管；
d.落入下料管中的锂电池正极或负极制备原料进入转炉；
e.在转炉中，锂电池正极或负极制备原料在500-900℃的温度下，反应生成锂电池正极或负极极材料；
f.生成的锂电池正极或负极材料进入颗粒冷却器，并通过颗粒冷却器出口排出；
g.颗粒冷却器采用表面式空气冷却方式，空气从冷却器进气口流入，并从颗粒冷却器的出气口进入燃烧器；
h.来自颗粒冷却器的空气与通过燃烧器燃料进口进入燃烧器的燃料燃烧，产生的高温烟气进入转炉，维持转炉的工作温度分布；
i.离开转炉的烟气通过烟气管进入气固沉降气固分离组件，烟气中夹带的固体颗粒以及来自流化床混合装置的固体颗粒在气固沉降气固分离组件中捕集，落入下料管，气体通过气固分离组件出气口逸出。
锂电池正极制备原料的颗粒粒径是0.1-100μm。
通入流化床混合装置的空气不参与生成锂电池正极或负极材料的反应。
转炉的温度由来自燃烧器的烟气维持，在转炉中烟气流向与锂电池正极或负极材料运动方向相反。
转炉呈倾斜放置，转炉在锂电池正极或负极制备原料进口端的垂直高度高于转炉在锂电池正极或负极材料出口段的垂直高度。
气固沉降气固分离组件由第一气固分离器、第二气固分离器、第三气固分离器嵌接而成，来自转炉的高温烟气经过烟气管进入第三气固分离器，同时将来自第二气固分离器的固体颗粒夹带、预热和分离进入下料管，再进入转炉；第三气固分离器上行烟气进入第二气固分离器，同时将来自第一气固分离器的固体颗粒夹带、预热和分离进入第二气固分离器；第二气固分离器上行烟气与来自流化床混合装置的气流混合后进入第一气固分离器。
本发明通过生产设备解决原有设备自动化程度低、无法实现连续生产的缺陷，实现高效、低能耗并连续生产锂电池正极或负极材料的生产工艺，具有以下优点：
（1）在锂电池正极或负极材料制备的混合阶段，本发明能够实现正极或负极制备材料的连续高效混合。传统的混合技术采用球磨机混合，球磨机需要电机驱动，由于球磨机内有较大较重的滚球，导致耗电量大，同时，球磨机混合的颗粒均匀性较差。本发明利用流化床较好的颗粒混合能力，流化床只需一台引风机送风，能耗小，颗粒混合更为均匀。
（2）在锂电池正极或负极材料制备阶段，本发明能够实现锂电池正极或负极材料的连续大规模生产。传统的工艺流程是将混合好的锂电池正极或负极原料手工分装加入单个坩埚中，然后放入板式电炉经预热、反应和冷却后，手工取出。整个工艺流程自动化程度低，严重依赖人力资源，无法满足大规模生产的需要。本发明利用转炉，锂电池正极或负极材料从回转窑进口到出口经过预热和反应阶段实现正极材料的制备，生成的正极或负极材料进入颗粒冷却器冷却后即可包装。整个工艺流程连续，可以实现自动控制。
（3）在传统的工艺流程中，采用了电加热来维持反应所需温度。本发明采用燃烧器直接燃烧天然气、化学合成气或尾气、煤制气、油及气体液体燃料、煤等来源广泛的化石燃料，利用燃烧后的高温烟气加热转炉，维持反应温度。化石燃料为一次能源，电能是二次能源，与直接电加热相比，采用化石燃料更为经济，具有明显的节能效果。此外，本发明利用产品出料余热预热燃烧空气，利用加温烟气余热预热原料，进一步提高了能源利用率。
（4）在传统的工艺流程中，正极或负极原料在坩埚中加热，固体颗粒之间相对静止，坩埚中原料的温度场分布不均与，造成产品的成品率相对较低。而采用转炉式反应工艺，固体原料颗粒随着转炉转动时相互掺杂混合，固体颗粒之间温度分布均匀，反应成品率高。
（5）在传统的工艺流程中，锂电池正极或负极原料经过机械混合、电炉预热、电炉加热维持温度、冷却等过程，设备占地面积达，而本发明采用流化床混合、转炉式烧结和水冷等工艺，设备紧凑，占地面积小。
附图说明
图1为本发明一种设备的结构示意图。
图2为本发明另一种设备的结构示意图。
具体实施方式
参照图1、图2，该转炉式锂电池正极或负极材料的生产设备由给料器1、流化床混合装置2、气固沉降气固分离组件3、烟气管4、转炉5、燃烧器6、下料管7、电机8以及颗粒冷却器9组成，流化床混合装置2下端外侧设置带有进料口A的螺旋式给料器，流化床混合装置2上端连接气固沉降气固分离组件3，气固沉降气固分离组件3经过烟气管4和下料管7连通由电机8驱动的转炉5的一端，转炉5的另一端与燃烧器6和颗粒冷却器9连接，颗粒冷却器9设置出料口F和冷却器进气口D，颗粒冷却器9的出气口连于燃烧器6，燃烧器6设置有燃烧器燃料进口E，流化床混合装置2底部设置流化床进气口B，气固沉降气固分离组件3设置气固分离组件出气口C。
气固沉降气固分离组件3由第一气固分离器3-1、第二气固分离器3-2、第三气固分离器3-3嵌接而成。
流化床混合装置2下端外侧的给料器1为一个或两个，也可以为3个或3个以上，根据需要而定。图1示出的是一个给料器1的情况；图2示出的是两个给料器1－1、1－2对称布置的情况。
利用以上生产设备生产锂电池正极或负极材料的工艺，工艺流程包括：
锂电池正极或负极制备原料通过给料器1进料口A连续进入流化床混合装置2；在流化床混合装置底端流化床进气口B通入空气，锂电池正极或负极制备原料充分混合，并被空气夹带至气固沉降气固分离组件3；在气固沉降气固分离组件3中，锂电池正极或负极制备原料与空气发生分离，空气从气固分离组件出气口C逸出，锂电池正极或负极制备原料捕集落入下料管7；落入下料管7中的锂电池正极或负极制备原料进入转炉5；在转炉7中，锂电池正极或负极制备原料在500-900℃的温度下，反应生成锂电池正极或负极极材料；生成的锂电池正极或负极材料进入颗粒冷却器9，并通过出料口F排出；颗粒冷却器9采用表面式空气冷却方式，空气从冷却器进气口D流入，并从颗粒冷却器9的出气口进入燃烧器6；来自颗粒冷却器9的空气与通过燃烧器燃料进口E进入燃烧器9的燃料燃烧，产生的高温烟气进入转炉5，维持转炉5的工作温度分布；离开转炉5的烟气通过烟气管4进入气固沉降气固分离组件3，烟气中夹带的固体颗粒以及来自流化床混合装置2的固体颗粒在气固沉降气固分离组件3中捕集，落入下料管7，气体通过气固分离组件出气口C逸出。
锂电池正极制备原料的颗粒粒径是0.1-100μm。通入流化床混合装置2的空气不参与生成锂电池正极或负极材料的反应。转炉5的温度由来自燃烧器6的烟气维持，在转炉5中烟气流向与锂电池正极或负极材料运动方向相反。转炉5呈倾斜放置，转炉5在锂电池正极或负极制备原料进口端的垂直高度高于转炉5在锂电池正极或负极材料出口段的垂直高度。气固沉降气固分离组件3由第一气固分离器3-1、第二气固分离器3-2、第三气固分离器3-3嵌接而成，来自转炉5的高温烟气经过烟气管4进入第三气固分离器3-3，同时将来自第二气固分离器3-2的固体颗粒夹带、预热和分离进入下料管7，再进入转炉5；第三气固分离器3-3上行烟气进入第二气固分离器3-2，同时将来自第一气固分离器3-1的固体颗粒夹带、预热和分离进入第二气固分离器3-2；第二气固分离器3-2上行烟气与来自流化床混合装置2的气流混合后进入第一气固分离器3-1。
具体实例1
一种锰酸锂电池正极材料的生产工艺，如图2所示，将粒径为0.1-100μm碳酸锂和二氧化锰由第一给料器1-1和第二给料器1-2加入流化床混合装置2，向流化床进气口B通入空气，进入流化床混合装置2的碳酸锂和二氧化锰在流化床混合装置中流化并充分混合；碳酸锂和二氧化锰进入气固沉降气固分离组件3沉降捕集后落入下料管7，再进入转炉5；在转炉5中，碳酸锂和二氧化锰的混合物在500-900℃的温度下经过8-20小时反应生成锰酸锂；生成的锰酸锂进入颗粒冷却器9，冷却后从出料口F排出；颗粒冷却器9通过表面式空气换热冷却生成的锰酸锂，预热后的空气和通过燃烧器燃料进口E进入燃烧器6的燃料燃烧，烟气进入转炉5维持转炉5内的反应温度，离开转炉5的烟气经烟气管4进入气固沉降气固分离组件3，烟气中夹带的固体颗粒在气固沉降气固分离组件3中捕集并落入下料管7，烟气气体则通过气固分离组件出气口C逸出。
具体实例2
一种磷酸铁锂电池正极材料的生产工艺，如图2所示，将粒径为0.1-100μm碳酸锂、磷酸铁（或磷酸亚铁）、还原剂等由多个给料器1-1、1-2加入流化床混合装置2，向流化床进气口B通入空气，进入流化床混合装置2的碳酸锂、磷酸铁（或磷酸亚铁）、还原剂等在流化床混合装置中流化并充分混合；碳酸锂、磷酸铁（或磷酸亚铁）、还原剂等进入气固沉降气固分离组件3沉降捕集后落入下料管7，再进入转炉5；在转炉5中，碳酸锂、磷酸铁（或磷酸亚铁）、还原剂等的混合物在500-900℃的温度下经过8-20小时反应生成磷酸铁锂；生成的磷酸铁锂进入颗粒冷却器9，冷却后从出料口F排出；颗粒冷却器9通过表面式空气冷换热冷却生成的磷酸铁锂，预热后的空气和通过燃烧器燃料进口E进入燃烧器6的燃料燃烧，烟气进入转炉5维持转炉5内的反应温度，离开转炉5的烟气经烟气管4进入气固沉降气固分离组件3，烟气中夹带的固体颗粒在气固沉降气固分离组件3中捕集并落入下料管7，烟气气体则通过气固分离组件出气口C逸出。
具体实例3
一种三元材料锂电池正极材料的生产工艺，如图2所示，将粒径为0.1-100μm碳酸锂、Ni-含氧化合物、Co-含氧化合物、Mn-含氧化合物等由多个给料器1-1、1-2加入流化床混合装置2，向流化床进气口B通入空气，进入流化床混合装置2的碳酸锂、Ni-含氧化合物、Co-含氧化合物、Mn-含氧化合物等在流化床混合装置2中流化并充分混合；碳酸锂、Ni-含氧化合物、Co-含氧化合物、Mn-含氧化合物等进入气固沉降气固分离组件3沉降捕集后落入下料管7，再进入转炉5；在转炉5中，碳酸锂、Ni-含氧化合物、Co-含氧化合物、Mn-含氧化合物等的混合物在500-900℃的温度下经过8-20小时反应生成三元型锂电池正极材料LiNixCoyMn(1-x-y)O2；生成的三元材料进入颗粒冷却器9，冷却后从出料口F排出；颗粒冷却器9通过表面式空气换热冷却生成的三元材料；预热后的空气和通过燃烧器燃料进口E进入燃烧器6的燃料燃烧，烟气进入转炉5维持转炉5内的反应温度，离开转炉5的烟气经烟气管4进入气固沉降气固分离组件3，烟气中夹带的固体颗粒在气固沉降气固分离组件3中捕集并落入下料管7，烟气气体则通过气固分离组件出气口C逸出。
具体实例4
一种钛酸锂锂电池负极材料的生产工艺，如图2所示，将粒径为0.1-100μm碳酸锂、钛的含氧化合物等由多个给料器1-2、1-1加入流化床混合装置2，向流化床进气口B通入空气，进入流化床混合装置2的碳酸锂、钛的含氧化合物等在流化床混合装置2中流化并充分混合；碳酸锂、钛的含氧化合物等进入气固沉降气固分离组件3沉降捕集后落入下料管7，再进入转炉5；在转炉5中，碳酸锂、钛的含氧化合物等的混合物在500-900℃的温度下经过8-20小时反应生成钛酸锂锂电池负极材料；生成的钛酸锂材料进入颗粒冷却器9，冷却后从出料口F排出；颗粒冷却器9通过表面式空气换热冷却生成的钛酸锂材料；预热后的空气和通过燃烧器燃料进口E进入燃烧器6的燃料燃烧，烟气进入转炉5维持转炉5内的反应温度，离开转炉5的烟气经烟气管4进入气固沉降气固分离组件3，烟气中夹带的固体颗粒在气固沉降气固分离组件3中捕集并落入下料管5，烟气气体则通过气固分离组件出气口C逸出。
具体实例5
一种钴酸锂锂电池正极材料的生产工艺，如图2所示，将粒径为0.1-100μm碳酸锂、钴的氧化物（如碳酸钴CoCO3、碱式碳酸钴2CoCO3·3Co(OH) 2·3H2O、氧化亚钴CoO、氧化钴Co2O3或Co3O4等）由多个给料器1-1、1-2加入流化床混合装置2，向流化床进气口B通入空气，进入流化床混合装置2的碳酸锂、钴的氧化物（如碳酸钴CoCO3、碱式碳酸钴2CoCO3·3Co(OH) 2·3H2O、氧化亚钴CoO、氧化钴Co2O3或Co3O4等）在流化床混合装置中流化并充分混合；碳酸锂、钴的氧化物（如碳酸钴CoCO3、碱式碳酸钴2CoCO3·3Co(OH) 2·3H2O、氧化亚钴CoO、氧化钴Co2O3或Co3O4等）进入气固沉降气固分离组件3沉降捕集后落入下料管7，再进入转炉5；在转炉5中，碳酸锂、钴的氧化物（如碳酸钴CoCO3、碱式碳酸钴2CoCO3·3Co(OH) 2·3H2O、氧化亚钴CoO、氧化钴Co2O3或Co3O4等）的混合物在500-900℃的温度下经过8-20小时反应生成钴酸锂锂电池正极材料；生成的钴酸锂材料进入颗粒冷却器9，冷却后从出料口F排出；颗粒冷却器9通过表面式空气换热冷却生成的钴酸锂材料；预热后的空气和通过燃烧器燃料进口E进入燃烧器6的燃料燃烧，烟气进入转炉5维持转炉内的反应温度，离开转炉5的烟气经烟气管4进入气固沉降气固分离组件3，烟气中夹带的固体颗粒在气固沉降气固分离室3组件中捕集并落入下料管7，烟气气体则通过气固分离组件出气口C逸出。

Claims (9)

1.一种转炉式锂电池正极或负极材料的生产设备，其特征在于：由给料器（1）、流化床混合装置（2）、气固沉降气固分离组件（3）、烟气管（4）、转炉（5）、燃烧器（6）、下料管（7）、电机（8）以及颗粒冷却器（9）组成，流化床混合装置（2）下端外侧设置带有进料口（A）的螺旋式给料器，流化床混合装置（2）上端连接气固沉降气固分离组件（3），气固沉降气固分离组件（3）经过烟气管（4）和下料管（7）连通由电机（8）驱动的转炉（5）的一端，转炉（5）的另一端与燃烧器（6）和颗粒冷却器（9）连接，颗粒冷却器（9）设置出料口（F）和冷却器进气口（D），颗粒冷却器（9）的出气口连于燃烧器（6），燃烧器（6）设置有燃烧器燃料进口（E），流化床混合装置（2）底部设置流化床进气口（B），气固沉降气固分离组件（3）设置气固分离组件出气口（C）。
2.根据权利要求1所述的转炉式锂电池正极或负极材料的生产设备，其特征在于：气固沉降气固分离组件（3）由第一气固分离器（3-1）、第二气固分离器（3-2）、第三气固分离器（3-3）嵌接而成。
3.根据权利要求1所述的转炉式锂电池正极或负极材料的生产设备，其特征在于：流化床混合装置（2）下端外侧的给料器（1）为一个或两个。
4.一种利用权利要求1或2或3的生产设备生产锂电池正极或负极材料的工艺，其特征在于工艺流程包括：
a.锂电池正极或负极制备原料通过给料器（1）进料口（A）连续进入流化床混合装置（2）；
b.在流化床混合装置底端流化床进气口（B）通入空气，锂电池正极或负极制备原料充分混合，并被空气夹带至气固沉降气固分离组件（3）；
c.在气固沉降气固分离组件（3）中，锂电池正极或负极制备原料与空气发生分离，空气从气固分离组件出气口（C）逸出，锂电池正极或负极制备原料捕集落入下料管（7）；
d.落入下料管（7）中的锂电池正极或负极制备原料进入转炉（5）；
e.在转炉（7）中，锂电池正极或负极制备原料在500-900℃的温度下，反应生成锂电池正极或负极极材料；
f.生成的锂电池正极或负极材料进入颗粒冷却器（9），并通过出料口（F）排出；
g.颗粒冷却器（9）采用表面式空气冷却方式，空气从冷却器进气口（D）流入，并从颗粒冷却器（9）的出气口进入燃烧器（6）；
h.来自颗粒冷却器（9）的空气与通过燃烧器燃料进口（E）进入燃烧器（9）的燃料燃烧，产生的高温烟气进入转炉（5），维持转炉（5）的工作温度分布；
i.离开转炉（5）的烟气通过烟气管（4）进入气固沉降气固分离组件（3），烟气中夹带的固体颗粒以及来自流化床混合装置（2）的固体颗粒在气固沉降气固分离组件（3）中捕集，落入下料管（7），气体通过气固分离组件出气口（C）逸出。
5.根据权利要求4所述的生产锂电池正极或负极材料的工艺，其特征在于：锂电池正极制备原料的颗粒粒径是0.1-100μm。
6.根据权利要求4所述的生产锂电池正极或负极材料的工艺，其特征在于：通入流化床混合装置（2）的空气不参与生成锂电池正极或负极材料的反应。
7.根据权利要求4所述的生产锂电池正极或负极材料的工艺，其特征在于：转炉（5）的温度由来自燃烧器（6）的烟气维持，在转炉（5）中烟气流向与锂电池正极或负极材料运动方向相反。
8.根据权利要求4所述的生产锂电池正极或负极材料的工艺，其特征在于：转炉（5）呈倾斜放置，转炉（5）在锂电池正极或负极制备原料进口端的垂直高度高于转炉（5）在锂电池正极或负极材料出口段的垂直高度。
9.根据权利要求4所述的生产锂电池正极或负极材料的工艺，其特征在于：气固沉降气固分离组件（3）由第一气固分离器（3-1）、第二气固分离器（3-2）、第三气固分离器（3-3）嵌接而成，来自转炉（5）的高温烟气经过烟气管（4）进入第三气固分离器（3-3），同时将来自第二气固分离器（3-2）的固体颗粒夹带、预热和分离进入下料管（7），再进入转炉（5）；第三气固分离器（3-3）上行烟气进入第二气固分离器（3-2），同时将来自第一气固分离器（3-1）的固体颗粒夹带、预热和分离进入第二气固分离器（3-2）；第二气固分离器（3-2）上行烟气与来自流化床混合装置（2）的气流混合后进入第一气固分离器（3-1）。
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