CN105280920A - 用于锂电池负极材料制作的装置、系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于锂电池负极材料制作的装置、系统和方法。该装置包括桶体;位于桶体顶端的桶体上盖;贯通桶体上盖并延伸至桶体内部的主轴;位于桶体内部且与主轴相连接的搅拌叶片;设置于装置上的进料口、出料口和排气口,其中,装置上还设置有保护气体入口,经由保护气体入口进入桶体的气体用于排空桶体内的氧气;桶体外包覆电加热层,其中,电加热层的温度可调;以及桶体上盖处设置有冷却机构,以降低主轴上部的温度。通过本发明,降低了锂电池负极材料制作的反应周期,提升品质,同时,制作设备简单,工艺成本低。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池负极材料制作的技术领域,具体而言,特别涉及用于锂电池负极材料制作的装置、系统和方法。
背景技术
负极材料锂离子电池实现小型化、高容量化的关键。目前,商品化锂离子电池的负极材料多为炭材料,其中,人造石墨的使用虽然是主流之一,但人造石墨与电解液的相容性差、炭负极上发生有机溶剂的不可逆分解都会对电极行为产生负面影响,使石墨层发生膨胀和收缩,导致其剥落,从而降低循环效率。为了改善人造石墨这些缺陷,现有技术以人造石墨作为原料,对其进行表面改性处理,例如采用热缩聚法对人造石墨进行包覆改性,以得到的电化学性能佳,充放电效率高的负极材料。
现有技术在制作上述负极材料时,一般是将石墨和包覆材料在混合装置中混合加热完成包覆,然后再在聚合装置中加热实现聚合反应,最后进入低温窑炉里去长时间碳化,制作设备复杂,工艺成本高。
针对现有技术中存在的上述技术问题,目前尚未提出有效的解决方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于锂电池负极材料制作的装置、系统和方法,以解决现有技术中锂电池负极材料制作设备复杂,工艺成本高的问题。
依据本发明的一个方面,提供了一种用于锂电池负极材料制作的装置。
具体地,该装置包括:桶体;位于桶体顶端的桶体上盖;贯通桶体上盖并延伸至桶体内部的主轴;位于桶体内部且与主轴相连接的搅拌叶片;设置于装置上的进料口、出料口和排气口,其中,装置上还设置有保护气体入口,经由保护气体入口,进入桶体的气体用于排空桶体内的氧气;桶体外包覆电加热层,其中,电加热层的温度可调;以及桶体上盖处设置有冷却机构,以降低主轴上部的温度。
进一步地,冷却机构包括:冷冻水冷却腔、空气冷却腔和/或保温棉保温隔热腔。
进一步地,桶体上盖采用封头法兰形式,冷冻水冷却腔、空气冷却腔和/或保温棉保温隔热腔设置于封头的位置。
进一步地,进料口和排气口设置于封头上。
进一步地,保护气体入口包括:设置于主轴处的第一入口,经由第一入口的气体通过主轴的轴套与轴间的制作锂电池负极材料的原料之间形成的通道进入桶体,以形成气封;和/或设置于桶体底部的第二入口,经由第二入口的气体直通入桶体。
进一步地,电加热层外设置有保温层。
进一步地,保温层外设置有不锈钢板。
进一步地,进料口和出料口处均安装有耐高温阀门。
依据本发明的一个方面,提供了一种用于锂电池负极材料制作的系统。
具体地,该系统包括:主机,其中,该主机为本发明提供的任意一种用于锂电池负极材料制作的装置;储料斗,与主机的进料口相连通;尾气收集装置,与主机的排气口相连通;冷却桶,与主机的出料口相连通;以及驱动装置,与主机的主轴相连接,用于带动主轴转动。
依据本发明的一个方面,提供了一种用于锂电池负极材料制作的方法。
具体地,该方法包括如下的步骤:
步骤S:将石墨与包覆材料加入本发明提供的任意一种用于锂电池负极材料制作的装置,控制装置的主轴带动搅拌叶片进行搅拌;
步骤S:控制装置升温至第一预定温度,并保持第一预定时间,以使石墨包覆于包覆材料中;
步骤S:控制装置升温至第二预定温度,并保持第二预定时间,以使步骤S获得的产物完成热聚合;以及
步骤S:控制装置升温至第三预定温度,并保持第三预定时间,以使步骤S获得的产物完成去碳化,得到锂电池负极材料,
其中,第三预定温度大于第二预定温度,第二预定温度大于第一预定温度。
通过本发明,提出了一种用于锂电池负极材料制作的装置,该装置包括桶体;位于桶体顶端的桶体上盖;贯通桶体上盖并延伸至桶体内部的主轴;位于桶体内部且与主轴相连接的搅拌叶片;设置于装置上的进料口、出料口和排气口,其中,装置上还设置有保护气体入口,经由保护气体入口进入桶体的气体用于排空桶体内的氧气;桶体外包覆电加热层,其中,电加热层等温度可调;以及桶体上盖处设置有冷却机构,以降低主轴上部的温度。采用该装置制作锂电池负极材料时,将原材料经由进料口进入桶体后,在桶体内可完成全部反应工艺,经出料口排出的产物冷却后即得到负极材料,制作设备简单,无需多个反应设备,工艺成本低。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,而可依照说明书的内容予以实施,并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂,以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
图1是根据本发明实施例用于锂电池负极材料制作的装置的结构示意图;
图2是根据本发明实施例用于锂电池负极材料制作的系统的组成示意图;
图3是根据本发明实施例用于锂电池负极材料制作的方法的步骤示意图,
图中,1—桶体;2—桶体上盖;3—主轴;4—搅拌叶片;5—进料口;6—出料口;7—排气口;8-1—第一入口;8-2—第二入口;9—电加热层;10-1—冷冻水冷却腔;10-2—空气冷却腔(10-2);10-3—保温棉保温隔热腔;11—保温层;
01—主机;02—储料斗;03—尾气收集装置;04—冷却桶;05—驱动装置;
A—冷冻水进水口;A1—冷冻水出水口;B—冷空气进气口;B1—冷空气出气口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。需要指出的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
图1是根据本发明实施例用于锂电池负极材料制作的装置的结构示意图,如图1所示,该装置包括桶体1,优选为锥形桶体,采用耐高温材料制作,物料在桶体1内即可完成锂电池负极材料的全部工艺过程;桶体1外包覆电加热层9,以对桶体内的物料进行加热,优选地,桶体1内的温度可通过电加热层加热至200-600摄氏度,其中,电加热层1的加热温度可调,从而实现桶体1内温度的可控可调;电加热层9外设置有保温层11,可将装置外表温度降至常温;保温层11外再包覆一层不锈钢板,保持外表的整洁美观。
桶体1的顶端设置有桶体上盖2,为封头法兰形式,采用耐高温板材制作,封头外包覆保温层,并在保温层外作不锈钢板包覆,封头上设置有进料口5和排气口7,进料口5和排气口7也可根据需要设置于桶体1或装置的其他位置,通过进料口5将用于制作锂电池负极材料的原料加入至桶体1内,通过排气口7将反应过程中桶体1产生的尾气排出。
桶体1内部设置有贯通桶体上盖2的主轴3,以及与主轴3相连接的搅拌叶片4,通过外部传动机构带动主轴3转动,使搅拌叶片4对桶体1内的物料进行搅动。
由于电加热层9的加热作用,反应过程中桶体1内温度较高,且处于转动中的主轴3由于转动也会产生温度升高的现象,因而,在本实施例中,封头与主轴4处设置有冷却机构,以实现主轴4上部的冷却及隔热,从而降低主轴上部的温度,具体地,在靠近主轴4处依次设置有冷冻水冷却腔10-1,空气冷却腔10-2和保温棉保温隔热腔10-3,其中,冷冻水冷却腔10-1具有冷冻水进水口A和冷冻水出水口A1,空气冷却腔10-2具有冷空气进气口B和冷空气出气口B1。
物料在桶体1内的反应过程中,为了达到物料不与空气接触的目的,在该实施例的装置上还设置有保护气体入口,经由保护气体入口进入桶体1的气体,用于将桶体1内的氧气经由排气口7排出,优选地,经由该保护气体入口进入的气体采用惰性气体,避免引入新的参与反应过程的气体影响正常反应。具体地,保护气体入口包括设置于主轴3处的第一入口8-1,经由第一入口8-1的气体通过主轴3的轴套与轴间的制作锂电池负极材料的原料之间形成的通道进入桶体1,以形成气封;保护气体入口还包括设置于桶体1底部的第二入口8-2,经由第二入口的气体直通入桶体1,随着惰性气体的进去,将桶体内的空气经由排气口7排出。
桶体1底部设置有出料口6,将桶体1内制得的温度较高的锂电池负极材料排出至冷却桶进行冷却,出料口6和进料口5均安装有耐高温阀门,实现物料进出桶体1。
采用该实施例提供的用于锂电池负极材料制作的装置,通过设置搅拌装置能够实现原料的均匀混合,同时,通过控制电加热层的温度实现原料反应不同阶段的所需的温度条件,从而在该单个装置中即可完成原料的各个反应步骤,由于搅拌的同时实现各步骤的高温反应,降低了反应周期,提升品质,同时,制作设备简单,无需多个反应设备,工艺成本低。
图2是根据本发明实施例用于锂电池负极材料制作的系统的组成示意图,如图2所示,该系统包括主机01、储料斗02、尾气收集装置03、冷却桶04和驱动装置05,其中,主机01采用图1所示实施例中的用于锂电池负极材料制作的装置,此处不再赘述。
储料斗02,与主机01的进料口相连通,在进料前,可先对储料斗抽真空,再充入氮气保护,随后打开储料斗上面的阀门,加入一定量的物料,随后关闭阀门。
物料经由储料斗02进入主机01桶体内的同时,驱动装置05控制主机01主轴转动,实现主机01搅拌叶片对物料的搅动。搅拌叶片对物料搅动的同时,控制电加热层加热,主机01在高温中运转。
在反应过程中,主机01产生高温废气,为确保装置运行安全,气体经由主机01的排气口进入尾气收集装置03,在尾气收集装置03中的高温废气通过冷凝装置后,一部分从尾气收集装置03的顶部排出,一部分变成液态存在尾气收集装置03的底部,可自行排出。
反应得到的高温锂电池负极材料经由主机01的出料口进入冷却桶04,完成锂电池负极材料的制作。
采用该实施例所提供的用于锂电池负极材料制作的系统,系统内实际参与反应的装置仅需主机即可实现,制作设备简单,无需多个反应设备,工艺成本低。
图3是根据本发明实施例用于锂电池负极材料制作的方法的步骤示意图,如图3所示,该方法应用于图2所示的实施例,具体包括如下的步骤S1至步骤S4。
步骤S1:将石墨与包覆材料加入主机,控制主轴带动搅拌叶片进行搅拌。
步骤S2:控制装置升温至第一预定温度,并保持第一预定时间,以使石墨包覆于包覆材料中。
其中,第一预定温度例如为250摄氏度,第一预定时间例如为0.5小时。通过该步骤,实现石墨和包覆材料的包覆。
步骤S3:控制装置升温至第二预定温度,并保持第二预定时间,以使步骤S2获得的产物完成热聚合。
其中,第二预定温度例如为400摄氏度,第一预定时间例如为1小时。通过该步骤,实现聚合反应。
步骤S4:控制装置升温至第三预定温度,并保持第三预定时间,以使步骤S3获得的产物完成去碳化,得到锂电池负极材料,
其中,第三预定温度例如为600摄氏度,第一预定时间例如为0.2小时。通过该步骤,实现去碳化。
在该实施例中,由于仅在主机中即可完成各个步骤,无需物料在不同反应装置中进行流转,工艺简单,成本低。此外,由于在高温反应中增加了搅拌,与静态加热相比,不但反应时间更快,而且反应所需的温度也相对较低,降低了反应周期,节约能源。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于本申请的装置实施例而言,由于其与方法实施例基本相似,所以描述的比较简单,相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于锂电池负极材料制作的装置,其特征在于,包括:
桶体(1);位于桶体(1)顶端的桶体上盖(2);贯通所述桶体上盖(2)并延伸至所述桶体(1)内部的主轴(3);位于所述桶体(1)内部且与所述主轴(3)相连接的搅拌叶片(4);设置于所述装置上的进料口(5)、出料口(6)和排气口(7),其中,
所述装置上还设置有保护气体入口(8-1,8-2),经由所述保护气体入口(81,82)进入所述桶体(1)的气体用于排空所述桶体(1)内的氧气;
所述桶体(1)外包覆电加热层(9),其中,所述电加热层(1)的温度可调;以及
所述桶体上盖(2)处设置有冷却机构(10-1,10-2,10-3),以降低所述主轴(3)上部的温度。
2.根据权利要求1所述的用于锂电池负极材料制作的装置,其特征在于,所述冷却机构包括:
冷冻水冷却腔(10-1)、空气冷却腔(10-2)和/或保温棉保温隔热腔(10-3)。
3.根据权利要求2所述的用于锂电池负极材料制作方法的装置,其特征在于,所述桶体上盖(2)采用封头法兰形式,所述冷冻水冷却腔(10-1)、空气冷却腔(10-2)和/或保温棉保温隔热腔(10-3)设置于所述封头的位置。
4.根据权利要求2所述的用于锂电池负极材料制作的装置,其特征在于,所述进料口(5)和所述排气口(7)设置于所述封头上。
5.根据权利要求1所述的用于锂电池负极材料制作的装置,其特征在于,所述保护气体入口包括:
设置于主轴(3)处的第一入口(8-1),经由所述第一入口(8-1)的气体通过所述主轴(3)的轴套与轴间的制作锂电池负极材料的原料之间形成的通道进入所述桶体(1),以形成气封;和/或
设置于所述桶体(1)底部的第二入口(8-2),经由所述第二入口的气体直通入所述桶体(1)。
6.根据权利要求1所述的用于锂电池负极材料制作的装置,其特征在于,所述电加热层(9)外设置有保温层(11)。
7.根据权利要求6所述的用于锂电池负极材料制作的装置,其特征在于,所述保温层(11)外设置有不锈钢板。
8.根据权利要求1所述的用于锂电池负极材料制作的装置,其特征在于,所述进料口(5)和所述出料口(6)处均安装有耐高温阀门。
9.一种用于锂电池负极材料制作的系统,其特征在于,包括:
主机(01),其中,所述主机采用权利要求1至8中任一项所述的用于锂电池负极材料制作的装置;
储料斗(02),与所述主机(01)的进料口相连通;
尾气收集装置(03),与所述主机(01)的排气口相连通;
冷却桶(04),与所述主机(01)的出料口相连通;以及
驱动装置(05),与所述主机(01)的主轴相连接,用于带动所述主轴转动。
10.一种用于锂电池负极材料制作的方法,其特征在于,包括:
步骤S1:将石墨与包覆材料加入权利要求1至8中任一项所述的用于锂电池负极材料制作的装置,控制所述装置的主轴带动搅拌叶片进行搅拌;
步骤S2:控制所述装置升温至第一预定温度,并保持第一预定时间,以使石墨包覆于包覆材料中;
步骤S3:控制所述装置升温至第二预定温度,并保持第二预定时间,以使步骤S2获得的产物完成热聚合;以及
步骤S4:控制所述装置升温至第三预定温度,并保持第三预定时间,以使步骤S3获得的产物完成去碳化,得到锂电池负极材料,
其中,所述第三预定温度大于所述第二预定温度,所述第二预定温度大于所述第一预定温度。
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