CN108745199A - 一种卧式锂电池负极材料包覆造粒高温反应釜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卧式锂电池负极材料包覆造粒高温反应釜，包括釜体，釜体两端的左端封头和右端封头、主轴；在左、右端封头内部沿封头内壁分别设置左封头刮边、右封头刮边；在釜体内沿主轴设有双向断开式搅拌系统，双向断开式搅拌系统包括分别位于主轴中点左、右两侧的第一双螺带、第二双螺带，第一双螺带、第二双螺带均包括螺旋方向相反的内、外螺带，第一双螺带的内螺带向左螺旋，第二双螺带的内螺带向右螺旋。本发明卧式反应釜通过双向断开式搅拌系统增加了螺带与物料的接触面积，杜绝了搅拌死角，确保物料混合更加均匀，热交换效果更好，对于部分天然石墨等石墨类物料包覆粒径增量高达到100‑125％。
Description
技术领域
本发明涉及一种卧式包覆造粒高温反应釜，具体涉及一种生产锂电池石墨类负极材料用卧式包覆造粒高温反应釜，使石墨材料或碳材料的结构达到预期的状态，符合制造锂电池的技术要求。
背景技术
锂电池是全球公认的绿色能源。受下游新能源汽车及储能电池需求增长的带动，全球及中国锂电池产业近几年取得了快速增长。2016年全球及中国锂电池产值分别为1850亿元和1182亿元预计2020年产值分别将达到3436亿元和2165亿元。近两年，全球3C锂电池市场日趋成熟，动力锂电池市场已经成为全球锂电池市场快速增长的最大引擎，而就区域市场来看，中国已成为全球锂电池发展最活跃的地区。统计数据显示，自2010年以来，全球锂电池总产量年均增长速度在25％以上，2016年全球锂电池总出货量达到115.4GWH，较上年同比增长21.1％。预计2020年，全球锂电池出货量将达到265.7GWH，是2016年的2.5倍。同时刚刚结束的两会政府工作报告中还对能源结构调整、节能减排和生态环境等问题进行阐述。政府工作报告指出，2018年要实现“单位国内生产总值能耗下降3％以上，主要污染物排放量继续下降的发展目标”，要继续推进污染防治，并要取得更大成效。政府工作报告指出，“坚持用市场化法治化手段，严格执行环保、质量、安全等法规标准，化解过剩产能、淘汰落后产能。”“中国制造2025”作为中国政府实施制造强国战略第一个十年的行动纲领，有着极其重要的意义。新能源汽车、新材料等产业，已经成为“中国制造2025”当前阶段的具象化表现。国家要加快制造强国建设，深入推进“中国制造2025”，对锂电池企业将提出更高的要求，同时对于整个锂电产业也将是有力的提振。政府对于新能源汽车抱有很大的期望，正在尝试将新能源汽车产业打造成为我国新的经济增长点。负极材料是新能源汽车动力电池的四大材料(正极材料、负极材料、电解液和隔膜)配套最为成熟的材料，也是影响锂电池能量密度的主要因素之一，在锂电池中的成本占比在10％～15％。理想的锂离子电池应该具备低电位、结构稳定、电位变化幅度小、锂离子脱嵌可逆性好、导电性能好、界面稳定性好及界面交流阻抗低等性能，以满足锂离子电池具有更高的能量密度及充放电功能。
从2011年开始，国内动力电池同比增长超过50％，带动国内负极材料产量逐年放量，尤其是带动人造石墨的负极材料的快速增长。2016年国内负极材料的产量为12.25万吨，同比增长68％，负极材料产值为66.39亿，同比增长64％。2017全年产量达到了18.5万吨。在制造锂电池人造石墨的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。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℃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。
申请人申请了“一种用于制造锂离子电池负极材料的高温反应釜”，专利号为201610524002X，该反应釜采用立式结构，内部采用旋转横隔柱+双平行螺带式的混合搅拌系统，最大容积4m3，最高耐温度650℃，申请人在实际操作中发现，由于粉体的自重，该立式高温反应釜的双螺带将粉料作提升混合，行程大，混合压力大，且螺带与物料的接触面积有限，导致物料的混合效果和均匀度不够，热交换不充分，对于部分天然石墨等石墨类物料包覆粒径增量最高只能达到80-90％(例如：投料粒径8微米，包覆造粒后只能达到14-15微米)。立式高温反应釜不能适应天然石墨中的高端材料和有具体技术参数要求的负极材料的生产。
发明内容
本发明提供了一种卧式锂电池负极材料包覆造粒高温反应釜，该反应釜用于锂电池负极材料生产，提高产品质量，提高生产效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种卧式锂电池负极材料包覆造粒高温反应釜，包括釜体1，釜体两端的左端封头2和右端封头3、主轴4；所述的主轴4水平贯穿釜体1内部，两端伸出釜体外，主轴4由电机5带动；在所述的釜体1顶部中部设有进料口6，在釜体1的底部中部设有出料口7，在左端封头2上设有测温口8；在所述的左、右端封头内部沿封头内壁分别设置左封头刮边91、右封头刮边92，防止传统设备封头处残留物堆积过厚的情况并保持两端封头处粉体运动混合；在釜体1内沿主轴4设有双向断开式搅拌系统，所述的双向断开式搅拌系统包括分别位于主轴4中点左、右两侧的第一双螺带、第二双螺带，第一双螺带、第二双螺带均包括螺旋方向相反的内、外螺带，第一双螺带的内螺带向左螺旋，第二双螺带的内螺带向右螺旋；所述的内、外螺带由嵌入在主轴4上的螺杆固定；相邻两根螺杆呈垂直交叉分布。
所述的内螺带和外螺带的螺距相同；所述的外螺带的外径和内螺带的外径之比为2:1～1.2:1。
所述的外螺带外边缘与反应釜内壁保持10-15mm的间距。
优选的，所述的第一双螺带从左往右依次包括第一错位交叉式双螺带和第一交叉式双螺带；第一错位交叉式双螺带由第一内螺带111和第一外螺带112沿主轴错位螺旋一圈而成，第一交叉式双螺带由第三内螺带115和第三外螺带116沿主轴螺旋半圈而成；所述的第三内螺带115与第一内螺带111断开1/2螺距(即第三内螺带115最左端与第一内螺带111的最左端距离1/2螺距)，第三内螺带115与第三外螺带116的最右端与主轴中点位于同一平面。
所述的第二双螺带从右往左依次包括第二错位交叉式双螺带和第二交叉式双螺带；第二错位交叉式双螺带由第二内螺带113和第二外螺带114沿主轴错位螺旋一圈而成，第二交叉式双螺带由第四内螺带117和第四外螺带118沿主轴螺旋半圈而成；所述的第四内螺带117与第二内螺带113断开1/2螺距(即第四内螺带117最右端与第二内螺带113的最右端距离1/2螺距)，第四内螺带117与第四外螺带118的最左端与主轴中点位于同一平面。
进一步优选的，沿主轴方向，所述的第一内螺带111比第一外螺带112往左伸出1/4螺距(伸出约300mm，即螺距约为1200mm)以实现内、外螺带的错位交叉分布，第一内螺带111的最左端位于主轴4左端；沿主轴方向，所述的第二内螺带113比第二外螺带114往右伸出1/4螺距，第二内螺带113的最右端位于主轴4右端。本发明通过设置错位交叉式双螺带增加了螺带与物料的接触面积，与常规双交叉式螺带相比，增加了大约20％，杜绝了搅拌死角，确保物料混合效果更加均匀，热交换效果更好。
本发明中，所述的第一、第二、第三、第四外螺带的螺距与所述的第一、第二、第三、第四内螺带的螺距相同；第一、第二、第三、第四外螺带规格相同，第一、第二、第三、第四内螺带的规格相同。
所述的左端封头2与釜体1焊接固定；在所述的右端封头3与筒体1右端分别设有锻打法兰，右端封头3与筒体1之间通过锻打法兰连接；在所述的两个法兰之间设有凹槽，在凹槽内放置耐高温的石墨缠绕垫进行密封，采用高强度螺栓固定，实现隔绝空气。采用锻打法兰并设置石墨缠绕垫，便于内部搅拌系统整体拆卸、检修、维护，便于彻底清理釜内残留物，简便、高效，符合实际生产需要。
所述的左封头刮边91、右封头刮边92均为弧形刮边。所述的左封头刮边91与左端封头内壁保持10-15mm的间距，所述的右封头刮边92与右端封头内壁保持10-15mm的间距。
优选的，在所述的左封头刮边91设有避开结构10使左封头刮边沿主轴运行时不与测温探头接触，使测温探头在不碰触左封头刮边的情况下充分和物料接触，确保测温的准确性。所述的避开结构10为适应测温探头形状的凹槽或缺口。
所述的釜体、左、右端封头、内、外螺带均采用304或310S不锈钢材料。考虑到对应材质加热到相应温度时的延伸率，本发明严格控制搅拌外螺带外边缘与釜壁的间距，封头刮边与封头内壁的间距，高温(约900℃)运行时在保证不碰壁的前提下，尽量贴合釜壁(封头挂边与封头内壁保持5-6mm的间距，外螺带外侧边缘与反应釜内壁保持约5-6mm的间距)，减少粉体的残留，减少釜壁黏连物的产生。
根据需要，本发明所述的卧式锂电池负极材料包覆造粒高温反应釜还设置排污口、检修人孔等管口，在不影响整体布局的情况下，满足用户需求。
本发明卧式反应釜选用特定材质的复合金属，与高温粉体接触的过流面、阀门等均采用相同耐高温标准，整体耐温能够达到900℃。焊接工艺如下：
(1)焊接清理：去除焊道周围20mm范围内油锈等杂物。
(2)不锈钢焊前坡口两侧100mm范围内涂白垩粉，严禁电弧擦伤。
(3)焊接：按附图施焊，层间严格清渣。
(4)标记：清理焊缝，自检合格后用记号笔写上焊工钢印号。
(5)检验：检查焊缝外观质量并做好记录。
(6)焊后在焊缝及近缝区表面去除由于焊接引起的颜色。
焊接时不能摆动，需快速连续焊，起弧收弧处注意表面裂纹，打磨清理后再焊接，焊接角焊缝时亦如此。焊材牌号选用A402，焊接电流90-150A，电弧电压22-27V，速度250-280mm/min。
粉体原料由投料口投入后由搅拌系统按照工艺所需的转速搅拌混合，外部配合电炉加温。物料在釜内充分混合加热后达到工艺要求，即可出料进行下一步工序。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明采用卧式反应釜，通过特有的双向断开式搅拌系统，着重针对物料的混合效果并控制混合运动方向，内螺带将粉料往两端外推，外螺带将粉料往中间推(如图2)，形成循环；同时内螺带将物料向外侧输送，外螺带将物料向内部聚集，结合内、外螺带带动物料在水平方向的运动，形成360度混合；通过设置错位交叉式双螺带，增加了螺带与物料的接触面积，与常规双交叉式螺带相比，增加了大约20％，杜绝了搅拌死角，进一步确保物料混合效果更加均匀，热交换效果更好；很好地解决了部分锂电池负极材料所要求的包覆造粒粒径及综合参数，对于部分天然石墨等石墨类物料包覆粒径增量高达100-125％(投料粒径8微米，包覆造粒后达到16-18微米)，最终制成高循环次数、高容量、高稳定性的锂电池成品，同时能耗低。
本发明针对材质加热到相应温度时的延伸率，严格控制搅拌外螺带外边缘与釜壁的间距，封头刮边与封头内壁的间距，高温运行时在保证不碰壁的前提下，尽量贴合釜壁，减少粉体的残留，减少釜壁黏连物的产生。
附图说明
图1为本发明卧式锂电池负极材料包覆造粒高温反应釜的结构示意图；
图1中，1-釜体，2-左端封头，3-右端封头，4-主轴，5-电机，6-进料口，7-出料口，8-测温口，91-左封头刮边，92-右封头刮边，10-避开结构，111第一内螺带，112-第一外螺带，113-第二内螺带，114-第二外螺带，115-第三内螺带，116-第三外螺带，117-第四内螺带，118-第四外螺带，12-锻打法兰。
图2为本发明卧式锂电池负极材料包覆造粒高温反应釜中粉料运动方向示意图；其中，A代表外螺带粉料运动方向，B代表内螺带粉料运动方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，一种卧式锂电池负极材料包覆造粒高温反应釜，包括釜体1，釜体两端的左端封头2和右端封头3、主轴4；所述的左端封头2与釜体1焊接固定；在所述的右端封头3与筒体1右端分别设有锻打法兰，右端封头3与筒体1之间通过锻打法兰连接；在所述的两个法兰之间设有凹槽，在凹槽内放置耐高温的石墨缠绕垫进行密封，采用高强度螺栓固定。所述的主轴4水平贯穿釜体1内部，两端伸出釜体外，主轴4由电机5带动；在所述的釜体1顶部中部设有进料口6，在釜体1的底部中部设有出料口7，在左端封头2上设有测温口8。在所述的左、右端封头内部沿封头内壁分别设置左封头刮边91、右封头刮边92，所述的左封头刮边91、右封头刮边92均为弧形刮边，左封头刮边91与左端封头内壁保持10-15mm的间距，右封头刮边92与右端封头内壁保持10-15mm的间距；在所述的左封头刮边91设有适应测温探头形状的凹槽或缺口形成避开结构10使左封头刮边沿主轴运行时不与测温探头接触。
在釜体1内沿主轴4设有双向断开式搅拌系统，所述的双向断开式搅拌系统包括分别位于主轴4中点左、右两侧的第一双螺带、第二双螺带。所述的第一双螺带从左往右依次包括第一错位交叉式双螺带和第一交叉式双螺带；第一错位交叉式双螺带由第一内螺带111和第一外螺带112沿主轴相反方向螺旋一圈而成，第一内螺带111向左螺旋，第一内螺带111的最左端位于主轴4左端；沿主轴方向，所述的第一内螺带111比第一外螺带112往左伸出1/4螺距(伸出约300mm)以实现内、外螺带的错位交叉分布；第一交叉式双螺带由第三内螺带115和第三外螺带116沿主轴相反方向螺旋半圈而成，第三内螺带115向左螺旋；所述的第三内螺带115与第一内螺带111断开1/2螺距，第三内螺带115与第三外螺带116的最右端与主轴中点位于同一平面。所述的第二双螺带从右往左依次包括第二错位交叉式双螺带和第二交叉式双螺带；第二错位交叉式双螺带由第二内螺带113和第二外螺带114沿主轴相反方向螺旋一圈而成，第二内螺带113向右螺旋，第二内螺带113的最右端位于主轴4右端；沿主轴方向，所述的第二内螺带113比第二外螺带114往右伸出1/4螺距；第二交叉式双螺带由第四内螺带117和第四外螺带118沿主轴相反方向螺旋半圈而成，第四内螺带117向右螺旋；所述的第四内螺带117与第二内螺带113断开1/2螺距，第四内螺带117与第四外螺带118的最左端与主轴中点位于同一平面。
具体的，第一、第二、第三、第四外螺带的螺距与第一、第二、第三、第四内螺带的螺距相同；第一、第二、第三、第四外螺带规格相同，第一、第二、第三、第四内螺带的规格相同。内、外螺带由嵌入在主轴4上的螺杆固定；相邻两根螺杆呈垂直交叉分布。
外螺带的外径和内螺带的外径之比为2:1；外螺带外边缘与反应釜内壁保持10-15mm的间距。
所述的釜体、左、右端封头、内、外螺带均采用310S不锈钢材料。针对材质加热到相应温度(约900℃)运行时的延伸率，严格控制搅拌外螺带外边缘与釜壁的间距，封头刮边与封头内壁的间距，高温运行时在保证不碰壁的前提下，尽量贴合釜壁，减少粉体的残留，减少釜壁黏连物的产生。
本实施例卧式反应釜通过特有的双向断开式搅拌系统，着重针对物料的混合效果并控制混合运动方向，如图2主轴由电机带动顺时针方向旋转，内螺带将粉料往两端外推，外螺带将粉料往中间推，形成循环；同时内螺带将物料向外侧输送，外螺带将物料向内部聚集，结合内、外螺带带动物料在水平方向的运动，形成360度混合；通过设置错位交叉式双螺带，增加了螺带与物料的接触面积，与常规双交叉式螺带相比，增加了大约20％，杜绝了搅拌死角，进一步确保物料混合效果更加均匀，热交换效果更好。采用本发明很好地解决了锂电池负极材料所要求的包覆造粒粒径及综合参数，天然石墨物料投料粒径8微米，包覆造粒后粒径达到16-18微米，包覆粒径增量高达100-125％，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，与采用专利号ZL201610524002X的反应釜生产的产品相比，性能数据如下：
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
Claims (10)
1.一种卧式锂电池负极材料包覆造粒高温反应釜，包括釜体(1)，釜体两端的左端封头(2)和右端封头(3)、主轴(4)；所述的主轴(4)水平贯穿釜体(1)内部，两端伸出釜体外，主轴(4)由电机(5)带动；在所述的釜体(1)顶部中部设有进料口(6)，在釜体(1)的底部中部设有出料口(7)，在左端封头(2)上设有测温口(8)；其特征在于在所述的左、右端封头内部沿封头内壁分别设置左封头刮边(91)、右封头刮边(92)；在釜体(1)内沿主轴(4)设有双向断开式搅拌系统，所述的双向断开式搅拌系统包括分别位于主轴(4)中点左、右两侧的第一双螺带、第二双螺带，第一双螺带、第二双螺带均包括螺旋方向相反的内、外螺带，第一双螺带的内螺带向左螺旋，第二双螺带的内螺带向右螺旋；所述的内、外螺带由嵌入在主轴上的螺杆固定；相邻两根螺杆呈垂直交叉分布。
2.根据权利要求1所述的卧式锂电池负极材料包覆造粒高温反应釜，其特征在于所述的内螺带和外螺带的螺距相同；所述的外螺带的外径和内螺带的外径之比为2:1～1.2:1。
3.根据权利要求1所述的卧式锂电池负极材料包覆造粒高温反应釜，其特征在于所述的外螺带外边缘与反应釜内壁保持10-15mm的间距。
4.根据权利要求1、2或3所述的卧式锂电池负极材料包覆造粒高温反应釜，其特征在于所述的第一双螺带从左往右依次包括第一错位交叉式双螺带和第一交叉式双螺带；所述的第二双螺带从右往左依次包括第二错位交叉式双螺带和第二交叉式双螺带。
5.根据权利要求4所述的卧式锂电池负极材料包覆造粒高温反应釜，其特征在于第一错位交叉式双螺带由第一内螺带(111)和第一外螺带(112)沿主轴错位螺旋一圈而成，第一交叉式双螺带由第三内螺带(115)和第三外螺带(116)沿主轴螺旋半圈而成；所述的第三内螺带(115)与第一内螺带(111)断开1/2螺距，第三内螺带(115)与第三外螺带(116)的最右端与主轴中点位于同一平面；
第二错位交叉式双螺带由第二内螺带(113)和第二外螺带(114)沿主轴错位螺旋一圈而成，第二交叉式双螺带由第四内螺带(117)和第四外螺带(118)沿主轴螺旋半圈而成；所述的第四内螺带(117)与第二内螺带(113)断开1/2螺距，第四内螺带(117)与第四外螺带(118)的最左端与主轴中点位于同一平面。
6.根据权利要求5所述的卧式锂电池负极材料包覆造粒高温反应釜，其特征在于沿主轴方向，所述的第一内螺带(111)比第一外螺带(112)往左伸出1/4螺距，所述的第二内螺带(113)比第二外螺带(114)往右伸出1/4螺距。
7.根据权利要求1所述的卧式锂电池负极材料包覆造粒高温反应釜，其特征在于所述的左端封头(2)与釜体(1)焊接固定；在所述的右端封头(3)与筒体(1)右端分别设有锻打法兰(12)，右端封头(3)与筒体(1)之间通过锻打法兰连接；在所述的两个锻打法兰之间设有凹槽，在凹槽内放置石墨缠绕垫进行密封。
8.根据权利要求1所述的卧式锂电池负极材料包覆造粒高温反应釜，其特征在于所述的左封头刮边(91)、右封头刮边(92)均为弧形刮边；所述的左封头刮边(91)与左端封头内壁保持10-15mm的间距，所述的右封头刮边(92)与右端封头内壁保持10-15mm的间距。
9.根据权利要求1所述的卧式锂电池负极材料包覆造粒高温反应釜，其特征在于在所述的左封头刮边(91)设有避开结构(10)使左封头刮边沿主轴运行时不与测温探头接触。
10.根据权利要求9所述的卧式锂电池负极材料包覆造粒高温反应釜，其特征在于所述的避开结构(10)为适应测温探头形状的凹槽或缺口。
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