CN104493140B - 一种电池级金属锂浇铸设备及浇铸方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种电池级金属锂浇铸设备及浇铸方法涉及金属锂浇铸设备及浇铸方法，特别是一种全封闭式金属结构的电池级金属锂浇铸设备及浇铸方法。包括纯锂罐、圆盘浇铸机、氩气循环装置、氩气装置、真空泵、制冷机组和控制柜；所述的圆盘浇铸机包括浇铸机罐体、底盘、旋转圆盘、模具、减速箱和步进电机；所述的浇铸机真空管和浇铸机氩气管分别与外部的真空泵和氩气装置联接，所述的循环氩气进气管与外部的氩气循环装置联接；所述的纯锂罐和圆盘浇铸机之间安装有第二液封阀；所述的纯锂罐和圆盘浇铸机之间安装有连通管，所述的氩气循环装置包括顺序连接的换热器和循环风机。本发明电池级金属锂浇铸设备结构简单、紧凑，操作简便，生产运行安全可靠，可实现全过程自动控制生产。

Description

一种电池级金属锂浇铸设备及浇铸方法

技术领域

本发明一种电池级金属锂浇铸设备及浇铸方法涉及金属锂浇铸设备及浇铸方法，特别是一种全封闭式金属结构的电池级金属锂浇铸设备及浇铸方法。

背景技术

随着一次锂电池应用领域的不断发展，对负极材料电池级金属锂的质量提出了更高的要求。

在电池级金属锂工业实践中，通常是在充满氩气的玻璃结构的手套箱内进行金属锂的浇铸、冷却、脱模和封装生产。这种玻璃结构的手套箱浇铸设备主要存在四个问题：一是玻璃结构手套箱密封安全性能较差。设备长时间震动运行后，容易产生泄漏，致使外界自然空气进入到箱内，造成氩气污染，同时，这种泄漏不易发现。二是维修手套箱内设备或是更换破损手套时，外界空气会进入到手套箱内，氩气净化装置需很长时间运行才能将氩气净化到合格水平，影响生产的正常进行。三是这种结构的手套箱空间较大，金属锂浇铸后，氩气循环冷却时间较长，产能较低。四是人工操作手套箱内的浇铸阀门进行手工浇铸作业，存在一定的安全隐患。

由于玻璃结构手套箱容易发生泄漏导致箱内高纯氩气受到污染，因此，采用此设备工艺生产的电池级金属锂质量稳定性较差，特别是金属锂中氧、氮的含量不稳定，从而影响一次锂电池电性能质量的稳定性。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种电池级金属锂浇铸设备及浇铸方法。利用本设备可在全密封、高真空和高纯氩气条件下，生产出高性能电池级金属产品。

一种电池级金属锂浇铸设备及浇铸方法是采取以下技术方案实现的：

一种电池级金属锂浇铸设备包括纯锂罐、圆盘浇铸机、氩气循环装置、氩气装置、真空泵、制冷机组和控制柜；

所述的纯锂罐上部一侧设有进料管，纯锂罐底部设有出料管；纯锂罐上部的另一侧设置有纯锂罐真空管和纯锂罐氩气管；纯锂罐上部设置的罐盖和纯锂罐罐体之间通过法兰全密封联接，法兰密封圈设有上、下水冷夹套；纯锂罐盖上设有气动阀缸，气动阀缸与纯锂罐内的长杆阀通过法兰密封联接，由气动阀缸控制长杆阀的开、闭；纯锂罐外部设有加热炉；所述的进料管处安装有第一液封阀；所述的纯锂罐真空管和纯锂罐氩气管分别与外部的真空泵和氩气装置联接；

所述的圆盘浇铸机包括浇铸机罐体、底盘、旋转圆盘、模具、减速箱和步进电机；浇铸机罐体一侧设有视镜观察孔，在浇铸机罐体另一侧设有侧门，浇铸机罐体上部一端设有浇铸管，浇铸机罐体上部另一端设有浇铸机真空管、浇铸机氩气管和循环氩气出气管，浇铸机罐体一侧还设有循环氩气进气管；浇铸机罐体和底盘通过法兰全密封联接；浇铸机底盘上部装有旋转圆盘，旋转圆盘具有转盘和转轴，转盘通过螺栓联接固定在转轴上，转轴上下两端分别与浇铸机罐体上端以及底盘下端通过轴承密封联接；转盘和底盘之间安装有托轮，托轮固定在底盘上部，转盘以托轮为支撑，由转轴带动旋转，以保证转盘运行时的稳定性；转盘上面放置有模具，所述模具沿圆周方向两两相邻均匀放置在转盘外侧；在浇铸机底盘下部装有减速箱和步进电机；所述旋转圆盘的转轴和减速箱联接，由步进电机通过减速箱带动旋转圆盘的转轴转动。

所述的浇铸机真空管和浇铸机氩气管分别与外部的真空泵和氩气装置联接，所述的循环氩气进气管与外部的氩气循环装置联接；

所述的纯锂罐和圆盘浇铸机之间安装有第二液封阀；所述的纯锂罐和圆盘浇铸机之间安装有连通管，以调节纯锂罐和圆盘浇铸机之间的压力平衡；

所述的氩气循环装置包括顺序连接的换热器和循环风机，换热器的一端与圆盘浇铸机的循环氩气出气管联接，循环风机的一端和循环氩气进气管联接，换热器与制冷机组联接；浇铸作业时，圆盘浇铸机内的氩气被加热后，由循环氩气出气管排除，经换热器冷却后，由循环风机经循环氩气进气管送至圆盘浇铸机内冷却模具内的金属锂。

在第一液封阀、纯锂罐、加热炉和第二液封阀内均设有测温器，所述测温器采用工业用测温器，测温器所测出的温度的变化反映出物料的状态和走向。

电池级金属锂浇铸设备采用管道法兰联接方式将全部构成部件密闭联接成一体，使得该设备在全密闭、高真空和高纯氩气条件下进行作业。

所述的第一液封阀、纯锂罐、加热炉、第二液封阀、圆盘浇铸机、氩气循环装置、制冷机组、氩气装置和真空泵均与控制柜连接，从而实现全过程自动控制的安全生产。

一种采用电池级金属锂浇铸设备的浇铸方法，包括如下步骤：

1）开启纯锂罐真空管阀门对纯锂罐进行抽真空作业，当纯锂罐内真空度≤1Pa时，开启第一液封阀进行引流作业，将其它设备内的熔融态高纯金属锂引流至纯锂罐内，同时开启纯锂罐外部的加热炉对纯锂罐进行加热，直至保持纯锂罐内物料温度200-220℃；

2）引流作业结束后，关闭第一液封阀，同时关闭纯锂罐真空管阀门，停止纯锂罐的抽真空作业；开启纯锂罐氩气管阀门，向纯锂罐通入氩气至常压状态；

3）在圆盘浇铸机充满氩气的状态下开启连通管阀门，保持纯锂罐和圆盘浇铸机之间压力平衡；

4）开启第二液封阀，通过气动阀缸控制纯锂罐内长杆阀的开、闭进行金属锂的浇铸作业；同时调整连通管阀门控制氩气流量的大小，以保证锂液流入模具时的速度较缓，不产生较大的飞溅；

5）完成一个模具浇铸后，启动步进电机使旋转圆盘上的相邻模具位移至浇铸管口处，进行下一个模具的浇铸；

6）浇铸作业完成后，关闭第二液封阀；启动制冷机组，同时启动循环风机，控制循环氩气进口温度在5℃以内，将模具内的金属锂冷却至常温。

本发明电池级金属锂浇铸设备结构简单、紧凑，操作简便，生产运行安全可靠，可实现全过程自动控制生产。因此，得到的电池级金属锂产品质量好、稳定。由于本设备采用全密闭金属结构设计，设备结构简单、紧凑，空间小。因此有如下特点：1）系统密封性能安全、可靠，长时间震动运行也不容易出现泄漏现象。2）采用抽真空的方法，短时间内可以将系统内被污染的氩气全部除去，重新通入高纯氩气后即可进行正常的生产。3）设备结构简紧凑，空间小，金属锂浇铸后，氩气循环冷却时间少，产能高。4）自动控制纯锂罐外部浇铸阀门进行机械操作浇铸作业，生产运行安全可靠。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明电池级金属锂浇铸设备的结构示意图。

图中：1、纯锂罐，2、加热炉，3、长杆阀，4、纯锂罐罐体，5、罐盖，6、气动阀缸7、第一液封阀，8、第二液封阀，9、圆盘浇铸机，10、浇铸机罐体，11、侧门，12、底盘，13、转盘，14、转轴，15、减速箱，16、步进电机，17、模具，18、托轮，19、视镜观察孔、20、制冷机组，21、换热器，22、循环风机，23、真空泵， 24、氩气装置，25、控制柜 ，a、纯锂罐真空管，b、纯锂罐氩气管，c、循环氩气进气管，d、浇铸机真空管，e、浇铸机氩气管，f、连通管，g、循环氩气出气管，A、进料管，B、出料管，D、浇铸管。

具体实施方式

参照附图1，本发明一种电池级金属锂浇铸设备包括纯锂罐1、圆盘浇铸机9、氩气循环装置、氩气装置24、真空泵23、制冷机组20和控制柜25；

所述的纯锂罐1上部一侧设有进料管A，纯锂罐1底部设有出料管B；纯锂罐1上部的另一侧设置有纯锂罐真空管a和纯锂罐氩气管b；纯锂罐1上部设置的罐盖5和罐体4之间通过法兰全密封联接，法兰密封圈设有上、下水冷夹套；罐盖5上设有气动阀缸6，气动阀缸6与纯锂罐1内的长杆阀3通过法兰密封联接，由气动阀缸6控制长杆阀3的开、闭；纯锂罐1外部设有加热炉2；所述的进料管A处安装有第一液封阀7；所述的纯锂罐真空管a和纯锂罐氩气管b分别与外部的真空泵23和氩气装置24联接；

所述的圆盘浇铸机9包括浇铸机罐体10、底盘12、旋转圆盘、模具17、减速箱15和步进电机16；浇铸机罐体10一侧设有视镜观察孔19，在浇铸机罐体10另一侧设有侧门11，浇铸机罐体10上部一端设有浇铸管D，浇铸机罐体10上部另一端设有浇铸机真空管d、浇铸机氩气管e和循环氩气出气管g，浇铸机罐体10一侧还设有循环氩气进气管c；浇铸机罐体10和底盘12通过法兰全密封联接；浇铸机底盘12上部装有旋转圆盘，旋转圆盘具有转盘13和转轴14，转盘13通过螺栓联接固定在转轴14上，转轴14上下两端分别与浇铸机罐体10上端以及底盘12下端通过轴承密封联接；转盘13和底盘12之间安装有托轮18，托轮18固定在底盘12上部，转盘13以托轮18为支撑，由转轴14带动旋转，以保证转盘13运行时的稳定性；转盘13上面放置有模具17，所述模具17沿圆周方向两两相邻均匀放置在转盘13外侧；在浇铸机底盘12下部装有减速箱15和步进电机16；所述旋转圆盘的转轴14和减速箱15联接，由步进电机16通过减速箱15带动旋转圆盘的转轴14转动。

所述的浇铸机真空管d和浇铸机氩气管e分别与外部的真空泵23和氩气装置24联接，所述的循环氩气进气管c与外部的氩气循环装置24联接；

所述的纯锂罐1和圆盘浇铸机9之间安装有第二液封阀8；所述的纯锂罐1和圆盘浇铸机9之间安装有连通管，以调节纯锂罐1和圆盘浇铸机9之间的压力平衡；

所述的氩气循环装置包括顺序连接的换热器21和循环风机22，换热器21的一端与圆盘浇铸机9的循环氩气出气管g联接，循环风机22的一端和循环氩气进气管c联接，换热器21与制冷机组20联接；浇铸作业时，圆盘浇铸机9内的氩气被加热后，由循环氩气出气管g排除，经换热器21冷却后，由循环风机22经循环氩气进气管c送至圆盘浇铸机9内冷却模具17内的金属锂。

在第一液封阀7、纯锂罐1、加热炉2和第二液封阀8内均设有测温器，所述测温器采用工业用测温器，测温器所测出的温度的变化反映出物料的状态和走向。

电池级金属锂浇铸设备采用管道法兰联接方式将全部构成部件密闭联接成一体，使得该设备在全密闭、高真空和高纯氩气条件下进行作业。

所述的第一液封阀7、纯锂罐1、加热炉2、第二液封阀8、圆盘浇铸机9、氩气循环装置、制冷机组20、氩气装置24和真空泵23均与控制柜25连接，从而实现全过程自动控制的安全生产。

一种采用电池级金属锂浇铸设备的浇铸方法，包括如下步骤：

1）开启纯锂罐真空管a阀门对纯锂罐1进行抽真空作业，当纯锂罐1内真空度≤1Pa时，开启第一液封阀7进行引流作业，将其它设备内的熔融态高纯金属锂引流至纯锂罐1内，同时开启纯锂罐1外部的加热炉2对纯锂罐1进行加热，直至保持纯锂罐1内物料温度200-220℃；

2）引流作业结束后，关闭第一液封阀7，同时关闭纯锂罐真空管a阀门，停止纯锂罐1的抽真空作业；开启纯锂罐氩气管b阀门，向纯锂罐1通入氩气至常压状态；

3）在圆盘浇铸机9充满氩气的状态下开启连通管阀门，保持纯锂罐1和圆盘浇铸机9之间压力平衡；

4）开启第二液封阀8，通过气动阀缸6控制纯锂罐1内长杆阀3的开、闭进行金属锂的浇铸作业；同时调整连通管阀门控制氩气流量的大小，以保证锂液流入模具17时的速度较缓，不产生较大的飞溅；

5）完成一个模具浇铸后，启动步进电机16使旋转圆盘上的相邻模具位移至浇铸管口处，进行下一个模具的浇铸；

6）浇铸作业完成后，关闭第二液封阀8；启动制冷机组20，同时启动循环风机22，控制循环氩气进口温度在5℃以内，将模具17内的金属锂冷却至常温。

本发明电池级金属锂浇铸设备的浇铸方法的简要概括是：“微负压－大流量－快速冷却”。

“微负压”是指在圆盘浇铸机与纯锂罐之间有有压力平衡连通管并装有阀门,浇铸前打开此阀门使圆盘浇铸机与纯锂罐之间压力平衡，浇铸时锂液由纯锂罐经浇铸管直接流入模具内，与此同时圆盘浇铸机内的氩气经连通管进入到纯锂罐内，达到浇铸过程的压力平衡。浇铸时调整连通管阀门控制氩气流量的大小，使纯锂罐始终处于微负压状态，这样就可以保证锂液流入模具时的速度较缓，不会产生较大的飞溅。

“大流量”是指浇铸管内径至少为20mm，可以保证在较短的时间内完成锂液的浇铸。由于流量大，热量集中，锂锭表面光滑。

“快速冷却”是指进入圆盘浇铸机的氩气温度控制在5℃以内，保证系统氩气循环≥50次/h，可有效控制锂锭缩孔的形状和深度。

Claims (4)

1.一种电池级金属锂浇铸设备，包括圆盘浇铸机和控制柜，其特征在于：还包括纯锂罐、氩气循环装置、氩气装置、真空泵和制冷机组；

所述的纯锂罐上部一侧设有进料管，纯锂罐底部设有出料管；纯锂罐上部的另一侧设置有纯锂罐真空管和纯锂罐氩气管；纯锂罐上部设置的罐盖和纯锂罐罐体之间通过法兰全密封联接，法兰密封圈设有上、下水冷夹套；纯锂罐盖上设有气动阀缸，气动阀缸与纯锂罐内的长杆阀通过法兰密封联接，由气动阀缸控制长杆阀的开、闭；纯锂罐外部设有加热炉；所述的进料管处安装有第一液封阀；所述的纯锂罐真空管和纯锂罐氩气管分别与外部的真空泵和氩气装置联接；

所述的圆盘浇铸机包括浇铸机罐体、底盘、旋转圆盘、模具、减速箱和步进电机；浇铸机罐体一侧设有视镜观察孔，在浇铸机罐体另一侧设有侧门，浇铸机罐体上部一端设有浇铸管，浇铸机罐体上部另一端设有浇铸机真空管、浇铸机氩气管和循环氩气出气管，浇铸机罐体一侧还设有循环氩气进气管；浇铸机罐体和底盘通过法兰全密封联接；浇铸机底盘上部装有旋转圆盘，旋转圆盘具有转盘和转轴，转盘通过螺栓联接固定在转轴上，转轴上下两端分别与浇铸机罐体上端以及底盘下端通过轴承密封联接；转盘和底盘之间安装有托轮，托轮固定在底盘上部，转盘以托轮为支撑，由转轴带动旋转，以保证转盘运行时的稳定性；转盘上面放置有模具，所述模具沿圆周方向两两相邻均匀放置在转盘外侧；在浇铸机底盘下部装有减速箱和步进电机；所述旋转圆盘的转轴和减速箱联接，由步进电机通过减速箱带动旋转圆盘的转轴转动；

所述的浇铸机真空管和浇铸机氩气管分别与外部的真空泵和氩气装置联接，所述的循环氩气进气管与外部的氩气循环装置联接；

所述的纯锂罐和圆盘浇铸机之间安装有第二液封阀；

所述的纯锂罐和圆盘浇铸机之间安装有连通管，以调节纯锂罐和圆盘浇铸机之间的压力平衡；

所述的氩气循环装置包括顺序连接的换热器和循环风机，换热器的一端与圆盘浇铸机的循环氩气出气管联接，循环风机的一端和循环氩气进气管联接，换热器与制冷机组联接。

2.根据权利要求1所述的电池级金属锂浇铸设备，其特征在于：在第一液封阀、纯锂罐、加热炉和第二液封阀内均设有测温器。

3.根据权利要求1所述的电池级金属锂浇铸设备，其特征在于：所述的第一液封阀、纯锂罐、加热炉、第二液封阀、圆盘浇铸机、氩气循环装置、制冷机组、氩气装置和真空泵均与控制柜连接。

4.一种采用权利要求1所述的电池级金属锂浇铸设备的浇铸方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）开启纯锂罐真空管阀门对纯锂罐进行抽真空作业，当纯锂罐内真空度≤1Pa时，开启第一液封阀进行引流作业，将其它设备内的熔融态高纯金属锂引流至纯锂罐内，同时开启纯锂罐外部的加热炉对纯锂罐进行加热，直至保持纯锂罐内物料温度200-220℃；

2）引流作业结束后，关闭第一液封阀，同时关闭纯锂罐真空管阀门，停止纯锂罐的抽真空作业；开启纯锂罐氩气管阀门，向纯锂罐通入氩气至常压状态；

3）在圆盘浇铸机充满氩气的状态下开启连通管阀门，保持纯锂罐和圆盘浇铸机之间压力平衡；

4）开启第二液封阀，通过气动阀缸控制纯锂罐内长杆阀的开、闭进行金属锂的浇铸作业；同时调整连通管阀门控制氩气流量的大小，以保证锂液流入模具时的速度较缓，不产生较大的飞溅；

5）完成一个模具浇铸后，启动步进电机使旋转圆盘上的相邻模具位移至浇铸管口处，进行下一个模具的浇铸；

6）浇铸作业完成后，关闭第二液封阀；启动制冷机组，同时启动循环风机，控制循环氩气进口温度在5℃以内，将模具内的金属锂冷却至常温。