CN106000268A - 一种用于制造锂离子电池负极材料的高温反应釜 - Google Patents

一种用于制造锂离子电池负极材料的高温反应釜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于制造锂离子电池负极材料的高温反应釜,包括反应釜体、主轴、固体加料口、液体入口、氮气入口、出气口、支座、出料口;所述的高温反应釜还包括旋转横隔柱、双平行螺带、框式导流刮边、螺旋推进系统、封头刮壁系统。本发明反应釜的搅拌系统首次采用双平行螺带配合框式导流板及中部旋转横隔柱的形式,这一创新实现了物料的混合无死角,混合效率达到目前所有同类设备的最佳状态。采用本发明反应釜解决高端锂离子电池负极材料包覆碳化过程中所需要的物料生产、搅拌效果、反应环境及出料方式等问题,形成了成熟的制造工艺,使负极材料的循环寿命、加工性能、表面稳定性、放电容量、效率等全面跃升。

Description

一种用于制造锂离子电池负极材料的高温反应釜
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高温反应釜,具体涉及一种用于制造锂离子电池负极材料的高压 反应釜,用于实现锂离子电池负极材料包覆碳化过程。
背景技术
[0002] 锂离子电池是当前最流行的可充电电池。理想的锂电池具有寿命长,体积小,重量 轻,能量密度高,安全性,环境兼容性,成本低等特点。现有的锂离子电池一般不能完全具有 上述优点。大部分电池实际提供的容量和能量密度远低于其理论值。在严苛的操作条件下, 电池的实际使用性能更差,主要原因是电池材料存在利用率低、极化严重等问题。因此,有 关锂离子电池的研究应该主要集中在离子、原子或分子扩散和运输,电子转移,表面和界面 结构优化,调控电化学反应以及电化学能量转换和存储等方面。同时,我国商业锂离子电池 产业虽然发展迅速,但是国内的锂离子电池电极材料主要依赖于进口,原材料的国产化以 及产业化是我国锂离子电池满足市场需求的关键问题。解决这个关键问题的前提条件是独 立自主的研发出高电化学性能的锂离子电池正、负极材料,其关键材料不突破,就会成为制 约我国电池产业发展的"瓶颈"。
[0003] 在以往制造锂电池负极材料生产过程中,诸多厂家只是单纯地对天然或人造石墨 进行粉碎和分级,导致负极材料的加工或者性能上的稳定性都不好,这直接影响到锂离子 电池的综合品质。在储能锂电池及动力锂电池发展日新月异的今天,传统产品已经跟不上 时代的步伐,急需要找到拥有优异性能的新的锂离子电池高端负极材料来支撑全行业的发 展。
[0004] 在制造锂电池高端负极材料过程中最核心的环节就是包覆碳化的过程。首先,负 极材料生产需要的反应温度越来越高,这也成为了行业的趋势;其次,锂电池负极材料行业 生产用物料有粉料及沥青焦等,这些物料的搅拌混合难度十分大,流动阻力也很强。负极材 料生产过程中物料的混合搅拌效果成为决定产品质量的最重要因素之一,目前行业急需要 一种混合搅拌效果达到最佳的生产设备。第三,目前负极材料生产过程中反应物料的粘度、 互相的粘结度都是比较大,锥形釜体的底部易出现死角,且物料容易堵住出料口,物料温度 达到600°C以上,人工疏通出料也不现实,这个状况已经极大地影响了生产的效率和产品的 质量。第四,目前负极材料生产企业生产过程中均遇到物料升华或蒸发,导致釜体上封头的 人孔及法兰孔堵塞的问题,这一问题也成为行业发展的一个瓶颈,迟迟无法解决。第五,高 温釜顶部封头的保温问题一直以来都是一个难题。传统产品在后期保温过程中采用镀锌板 分瓣式包裹,用铆钉加以联接,中间填充石棉等保温层。这一方案外观质量差,内部保温层 易被物料及其他液体侵入导致破坏保温效果。
发明内容
[0005] 本发明主要为了解决高端锂离子电池负极材料包覆碳化过程中所需要的物料生 产、搅拌效果、反应环境(如高温高压)及出料方式等问题,提供了一种高温反应釜。
[0006] 为了解决以上问题,本发明采用以下综合技术实施方案:
[0007] 一种用于制造锂离子电池负极材料的高温反应釜,包括反应釜体,所述的反应釜 体由上部双层保温夹套封头、中部直筒和下部锥形筒体三部分组成,在反应釜体的双层保 温夹套封头上设有固体加料口、液体入口、氮气入口、出气口,在反应釜体中上部焊接有支 座,在反应釜底部设有出料口;在所述的反应釜体内设有主轴,主轴由电动机带动;所述的 高温反应釜还包括旋转横隔柱、双平行螺带、框式导流刮边、螺旋推进系统、封头刮壁系统; 所述的旋转横隔柱等距离固定在主轴上,相邻旋转横隔柱在水平方向呈垂直交叉分布;所 述的双平行螺带沿反应釜内壁螺旋式分布,由旋转横隔柱固定;所述的框式导流刮边沿反 应釜内壁对称固定在旋转横隔柱上并与外侧螺带竖向固定;所述的螺旋推进系统包括与双 平行螺带螺旋方向相反的螺旋叶片,螺旋叶片围绕主轴呈下降式分布;所述的封头刮壁系 统包括由主轴固定的支撑杆和设在支撑杆上端与反应釜内壁内切的刮壁条组成的挂壁装 置。
[0008] 所述的双层保温夹套封头由底层标准封头、上层封头盖罩以及中间保温材料填充 层组成。保温材料是欧文斯保温棉、高温玻璃棉毡或憎水型硅酸铝针刺毯。封头盖罩的材料 是薄型不锈钢。
[0009] 在所述的双层保温夹套封头上还设有检查孔、压力表口、测温口。
[0010] 所述的支座的个数为4个,支座均匀焊接在反应釜体的中上部。
[0011] 所述的双平行螺带为两条同向螺旋的螺带,两条螺带之间互相平行(即两条螺带 上对应的每一个点之间的距离都是恒定的)。
[0012] 框式导流刮边的数量为双数,对称固定在旋转横隔柱上并与外侧螺带竖向固定。 优选的,所述的框式导流刮边的数量为两道,框式导流刮边与反应釜内壁留有5-10mm的间 距。
[0013] 优选的,在所述的螺旋叶片与主轴连接处间隔挖有空孔,使混合物料时避免产生 死角。螺旋叶片可以每下降二分之一圈挖空,也可以每下降三分之一圈挖空。
[0014] 所述的挂壁装置为2个,挂壁装置的支撑杆固定在主轴上,使挂壁装置随主轴旋转 作同向运动,支撑杆上端刮壁条与封头内壁保持10mm左右距离,形成刮拉的作用,随时清除 因升华蒸发并积留至封头内壁的物料,保持封头测温孔、人孔、投料孔、氮气入口等孔洞的 通畅度。其中因测温装置需要深入釜内50_左右,因此,在制作时刮壁条随着测温装置做相 同形状的下凹加工。
[0015] 所述的刮壁条的截面呈梯形。
[0016] 本发明所述的高温反应釜主轴和釜体的密封采用内部包高温石墨的双端面高温 机械密封,属于本领域技术人员公知常识。
[0017] 本发明为了实现物料反应所需要的高温,采用310S不锈钢板作为耐高温釜体及耐 高温过流面零部件的材料,实现最高耐800°C的反应温度并长时间保持。加热方式采用井式 炉配合电热棒或者红外线、电磁等方式加以双层保温夹套封头来实现。
[0018] 所述的出料口通过球阀控制开关。
[0019] 和现有技术相比,本发明的有益效果:
[0020] 1、本发明反应釜的搅拌系统首次采用双平行螺带配合框式导流板及中部旋转横 隔柱的形式,这一创新实现了物料的混合无死角,混合效率达到目前所有同类设备的最佳 状态。具体表现为:
[0021] (1)、双平行螺带沿反应釜内壁螺旋式分布,由旋转横隔柱固定,该结构设计使得 物料混合更加均匀彻底,与物料的摩擦系数及撞击面积更大,混合效率高;螺旋推进系统与 双平行螺带旋转方向相异,使得物料得到更好的混合效果。
[0022] (2)、旋转横隔柱对物料进行横向打断式混合,使得物料混合均匀,强化综合混合 效果;同时旋转横隔柱在主轴等距离均匀分布,起到骨架的作用,使双平行螺带旋转下降角 度平稳、均匀,保持固定角度。
[0023] (3)、框式导流刮边沿反应釜内壁对称固定在旋转横隔柱上并与外侧螺带竖向固 定起到加强双平行螺带稳定性、固定其螺旋间隔的作用,同时使得物料混合效果得到强化, 并起到刮壁器作用,使物料不粘釜壁、物料不焦化并保持传热效果,避免边缘混合死角,使 整体综合混合效果得到极大提升;
[0024] (4)、反应釜的出料口设置在下端,采用球阀控制出料口开关。螺旋推进系统中螺 旋叶片在连接主轴处间隔挖空,混合物料时可以避免产生死角,使得物料保持运动,推进系 统运行平稳。主轴旋转时在球阀未打开的情况下,螺旋推进系统对物料起到下压混合的效 果;出料时螺旋推进系统与地心引力形成交互效应,对物料下压出料,完美解决了传统生产 过程中的出料死角及堵塞问题,大大提高了生产效率和生产效果。
[0025] 2、本发明反应釜首创采用设置在搅拌主轴上的封头刮壁系统,在搅拌的同时对上 封头进行不间断的旋转挂壁,随时清除升华蒸发并积留至封头内壁的物料,完全杜绝了物 料对上封头人孔及法兰孔的堵塞,保持上端人孔及投料孔、氮气注入孔等的通畅度。
[0026] 3、本发明首次采用双层保温夹套封头形式:底部标准封头,上层用薄型不锈钢封 头盖罩,中间填充保温材料,无缝连接,整体成型,实现高强度、安全美观、节能低碳的功效。
[0027] 本发明反应釜在主轴上同时设置刮壁系统、搅拌系统、出料系统,攻克了耐高温、 高压、尾气回收、人孔堵塞、出料方式、封头保温等几大关键技术难题后,采用该设备解决高 端锂离子电池负极材料包覆碳化过程中所需要的物料生产、搅拌效果、反应环境及出料方 式等问题,形成了成熟的制造工艺,使负极材料的循环寿命、加工性能、表面稳定性、放电容 量、效率等全面跃升,顺应社会及科技的发展,实现对负极材料优化、升级。
附图说明
[0028] 图1为本发明高温反应釜的结构示意图;
[0029] 图2为图1A-A向的视图;
[0030]图3为本发明高温反应釜的俯视图;
[0031 ]图4为高温反应釜运行时物料运行示意图;
[0032]图5为高温反应釜出料时物料运行示意图。
[0033]图中,1-反应釜体,2-主轴,3-旋转横隔柱,4-双平行螺带,5-框式导流刮边,6-螺 旋推进系统,7-封头刮壁系统,8-双层保温夹套封头,9-出料口,10-检查孔,11-出气口,12-固体加料口,13-液体入口,14-氮气入口,15-压力表口,16-测温口,17-支座,18-电动机, 19-空孔。
具体实施方式
[0034] 结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。
[0035] 如图1-3所示,一种用于制造锂离子电池负极材料的高温反应釜,包括反应釜体1, 所述的反应釜体1由上部双层保温夹套封头8、中部直筒和下部锥形筒体三部分组成,在反 应釜体1的双层保温夹套封头8上设有固体加料口 12、液体入口 13、氮气入口 14、出气口 11、 检查孔10、压力表口 15、测温口 16,在反应釜体中上部焊接有4个支座17,在反应釜底部设有 出料口 9;在所述的反应釜体内设有主轴2,主轴2由电动机18带动;所述的高温反应釜还包 括旋转横隔柱3、双平行螺带4、2道框式导流刮边5、螺旋推进系统6、封头刮壁系统7;所述的 旋转横隔柱3等距离固定在主轴2上,相邻旋转横隔柱3在水平方向呈垂直交叉分布;所述的 双平行螺带4为两条同向螺旋的螺带,双平行螺带4沿反应釜内壁螺旋式分布,由旋转横隔 柱3固定;所述的2道框式导流刮边5沿反应釜内壁对称固定在旋转横隔柱上3并与外侧螺带 竖向固定,并与反应釜内壁留有5-10mm间隙;所述的螺旋推进系统6包括螺旋叶片,螺旋叶 片围绕主轴呈下降式分布,在所述的螺旋叶片与主轴连接处间隔挖有空孔19使混合物料时 避免产生死角;所述的封头刮壁系统7包括2个刮壁装置,刮壁装置由主轴2固定的支撑杆、 设在支撑杆上端与反应釜内壁内切的刮壁条组成,刮壁条的截面呈梯形,刮壁条与封头内 壁保持10mm左右距离。
[0036] 所述的双平行螺带4中每条螺带宽度均为60mm,厚度5mm,螺带向下旋转4.5圈,左 旋,外螺带距离反应釜内壁24mm左右;所述的螺旋推进系统6的螺旋叶片旋转方向与双平行 螺带4相反,向下旋转5圈。
[0037] 所述的双层保温夹套封头由底层标准封头、上层封头盖罩以及中间保温材料填充 层组成。保温材料是欧文斯保温棉;封头盖罩的材料是薄型不锈钢。
[0038] 所述的支座的个数为4个,支座均匀焊接在反应釜体的中上部。
[0039]高温反应釜外部采用井式炉配以电热丝加热,以达到所需要的工艺温度800°C。 [0040]高温反应釜的容积4m3。
[0041 ]锂电池负极材料行业生产用物料有粉料及沥青等,这些物料的搅拌混合难度十分 大,流动阻力也很强,采用本发明高温反应釜进行包覆碳化。设备运行时,如图3所示,双平 行螺带将物料往下压,压到锥体底部,物料下沉沉积;通过主轴上的螺旋推进系统反向旋 转,将沉积的物料往上运动;从而,在釜内形成物料上下循环,混合均匀。在出料时,打开电 机反转开关,如图4所示,主轴上的螺旋推进系统就会将物料往下推,在下推过程中物料结 块在锥体底部,这时就通过外部双平行螺带对物料进行向上提升,使结块消除,从而顺利地 出料(螺旋推行系统一直延伸到锥底,双平行螺带延伸的靠上部一点)。采用本发明生产的 负极材料产品结晶好,球形化度高,粒度分布相对集中,压实密度大;首次效率高,比容量 高;品质稳定,循环性能好,加工性能优,与现有产品相比,性能数据如下:
[0042]表1本发明生产的负极材料产品与现有产品技术参数对比
Figure CN106000268AD00071

Claims (9)

1. 一种用于制造锂离子电池负极材料的高温反应釜,包括反应釜体,所述的反应釜体 由上部双层保温夹套封头、中部直筒和下部锥形筒体三部分组成,在反应釜体的双层保温 夹套封头上设有固体加料口、液体入口、氮气入口、出气口,在反应釜体中上部焊接有支座, 在反应釜底部设有出料口;在所述的反应釜体内设有主轴,主轴由电机带动;其特征在于所 述的高温反应釜还包括旋转横隔柱、双平行螺带、框式导流板、螺旋推进系统、封头刮壁系 统;所述的旋转横隔柱等距离固定在主轴上,相邻旋转横隔柱在水平方向呈垂直交叉分布; 所述的双平行螺带沿反应釜内壁螺旋式分布,由旋转横隔柱固定;所述的框式导流刮边沿 反应釜内壁对称固定在旋转横隔柱上并与外侧螺带竖向固定;所述的螺旋推进系统包括与 双平行螺带螺旋方向相反的螺旋叶片,螺旋叶片围绕主轴呈下降式分布;所述的封头刮壁 系统包括由主轴固定的支撑杆和设在支撑杆上端与反应釜内壁内切的刮壁条组成的挂壁 装置。
2. 根据权利要求1所述的高温反应釜,其特征在于所述的双层保温夹套封头由底层封 头、上层封头盖罩以及中间保温材料填充层组成。
3. 根据权利要求1所述的高温反应釜,其特征在于在所述的双层保温夹套封头上还设 有检查孔、压力表口、测温口。
4. 根据权利要求1所述的高温反应釜,其特征在于所述的支座的个数为4个,支座均匀 焊接在反应釜体的中上部。
5. 根据权利要求1所述的高温反应釜,其特征在于所述的双平行螺带为两条同向螺旋 的螺带。
6. 根据权利要求1所述的高温反应釜,其特征在于所述的框式导流刮边的数量为两道, 框式导流刮边与反应釜内壁留有5-10_的间距。
7. 根据权利要求1所述的高温反应釜,其特征在于在所述的螺旋叶片与主轴连接处间 隔挖空。
8. 根据权利要求1所述的高温反应釜,其特征在于所述的挂壁装置为2个,挂壁装置的 支撑杆固定在主轴上使挂壁装置随主轴旋转作同向运动,支撑杆上端刮壁条与封头内壁保 持10mm距离。
9. 根据权利要求1所述的高温反应釜,其特征在于所述的出料口通过球阀控制开关。
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