CN108844369B - 用于模拟锂电池正极材料烧结实验的箱式炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟锂电池正极材料烧结实验的箱式炉，包括炉体和设于炉体内的炉腔，炉体一侧设有炉门，炉腔内设有用于支撑匣钵的棍棒以及设于棍棒上方的上加热元件和设于棍棒下方的下加热元件，炉腔设有进气系统和排气系统，进气系统包括进气管路和气氛控制单元，气氛控制单元用于控制炉腔内的进气量，以使炉腔的气氛与实际生产时保持一致，炉腔内还设有温控单元，温控单元用于控制炉腔内的温度，以使炉腔的温度与实际生产的温度匹配，炉体的底部设有排水口。本发明具有结构与大生产的炉腔环境一致，实验的原料配比可以直接用于大生产，大生产的烧结产品与实验结果能保持一致的优点。

Description

用于模拟锂电池正极材料烧结实验的箱式炉

技术领域

本发明涉及锂电池烧结设备，尤其涉及一种用于模拟锂电池正极材料烧结实验的箱式炉。

背景技术

近年来，随着性能和制作水平的提高，锂离子电池开始应用于绿色环保的新能源电动汽车和其他电动交通工具，成为新能源产业中非常重要的一个产品，国际市场对锂离子电池的需求量已开始呈井喷态势。目前规模生产的锂离子电池均主要以石墨为负极材料，因此正极材料就成为决定锂离子电池比能量的主要因素。加快高性能正极材料及高效低成本生产技术的研发，是当前世界各国科技界和生产厂商努力的方向。

箱式炉作为一种实验型烧结设备，受到各大院校、科研机构的青睐，被广泛应用到锂电池材料、磁性材料、冶金材料、新材料的开发等领域，其高稳定性、高效率被行业所认可。在箱式炉进行研发高性能锂电池正极材料的试验后运用到辊道炉等窑炉进行大批量生产，因此模拟批量生产的箱式炉做实验研发新材料更加合适。

在大批量生产之前，都会进行实验，来验证原料配比后的性能，一般都会采用小型的箱式炉等进行试验，然后进行大批量的生产，但是大批量生产时的炉内生产环境和现有的箱式炉有很大区别，因此在大批量生产时产品性能会与实验时有所区别。

综上所述，急需研发一种和大生产环境相似的箱式炉来进行原料实验。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构与大生产的炉腔环境一致，实验的原料配比可以直接用于大生产，大生产的烧结产品与实验结果能保持一致的用于模拟锂电池正极材料烧结实验的箱式炉。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于模拟锂电池正极材料烧结实验的箱式炉，包括炉体和设于炉体内的炉腔，所述炉体一侧设有炉门，所述炉腔内设有用于支撑匣钵的棍棒以及设于棍棒上方的上加热元件和设于棍棒下方的下加热元件，所述炉腔设有进气系统和排气系统，所述进气系统包括进气管路和气氛控制单元，所述气氛控制单元用于控制炉腔内的进气量，以使炉腔的气氛与实际生产时保持一致，所述炉腔内还设有温控单元，所述温控单元用于控制炉腔内的温度，以使炉腔的温度与实际生产的温度匹配，所述炉体的底部设有排水口。

作为上述技术方案的进一步改进，优选的，所述进气管路包括一根主管路和三个分支管路，所述三个分支管路分别为底部进气管和两个侧部进气管，所述底部进气管设于炉体的底部，两个侧部进气管分别位于炉体的两侧壁上，所述气氛控制单元包括气氛控制模块、质量流量计和多个转子流量计，所述质量流量计位于主管路上，所述底部进气管和侧部进气管上分别设有所述转子流量计，所述气氛控制模块用于控制质量流量计和转子流量计的输出。

作为上述技术方案的进一步改进，优选的，所述侧部进气管分成上侧部支管、中侧部支管和下侧部支管，三个侧支管分别从侧壁引入炉腔。

作为上述技术方案的进一步改进，优选的，所述炉体侧壁设有用于对上加热元件密封的上加热密封盒以及对下加热元件密封的下加热密封盒，所述上加热密封盒、下加热密封盒与炉腔连通，所述上侧部支管与上加热密封盒连接，下侧部支管与下加热密封盒连接，所述炉体侧壁于上加热密封盒和下加热密封盒之间设有通孔，所述中侧部支管与所述通孔连接。

作为上述技术方案的进一步改进，优选的，所述炉腔的下方设有进气预热室，所述底部进气管与进气预热室连接，所述进气预热室与炉腔之间设有通过多个进气孔连通。

作为上述技术方案的进一步改进，优选的，所述温控单元包括上热电偶、中热电偶、下热电偶和温控模块，所述上热电偶靠近上加热元件，所述下热电偶靠近下加热元件，所述中热电偶位于上热电偶与下热电偶的中间，各热电偶用于测得炉腔内温度并反馈给温控模块，温控模块用于将测得的温度与设定温度进行对比并控制各加热元件的输出。

作为上述技术方案的进一步改进，优选的，所述排气系统包括废气排放收集室和排气管，所述废气排放收集室位于炉腔的上方，并与炉腔之间通过多个出气孔连通，所述排气管一端与废气排放收集室连接，另一端伸出炉体外。

作为上述技术方案的进一步改进，优选的，所述炉门通过安装组件与炉体连接，所述安装组件包括旋转轴和两个转臂，所述旋转轴设于炉体上，所述两个转臂分别固定于旋转轴的两端，所述炉门两端通过一自转轴分别与两个转臂连接，所述炉体侧壁上还设有用于压紧炉门的压紧件。

作为上述技术方案的进一步改进，优选的，所述炉门与炉体之间设有循环水冷结构，所述循环水冷结构包括循环水管和设于循环水管上的进水管和出水管，所述循环水管装设于炉体上，所述炉门通过一密封条抵靠在循环水管上。

作为上述技术方案的进一步改进，优选的，所述炉体由炉壳、保温层和内衬组成，所述保温层位于炉壳内壁与内衬之间，所述内衬围成的空间形成所述炉腔，所述保温层和内衬上对应炉门的部分形成可拆卸的活动塞块。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的模拟实验用的箱式炉，其整体空间与实际生产时炉体的空间相当，结构基本相同，并且具有以下特点，其一，炉腔内采用棍棒进行支撑匣钵，模拟实际生产时炉体内的棍棒输送系统；其二，设计有气氛控制单元，能准确控制炉腔内气氛的用量，使得其与大生产时炉体内的升温段、高温段、降温段等保持一致；其三，设计有温控单元，能精确模拟大生产的温度曲线，使得烧结的工艺与大生产的炉体一致；该箱式炉的炉腔的结构与大生产的辊道炉炉腔环境一致，有效提高了实验原料配比的可复制性（实验的原料配比可以直接用于大生产），使得大生产的烧结产品与实验结果保持一致，这样大批量生产时产品性能会与实验时区别较小。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图。

图2是本发明的侧视结构示意图。

图3是本发明中炉门与安装组件之间的连接示意图。

图4是本发明中循环水冷结构的结构示意图。

图5是图1的F处放大图。

图中各标号表示：

100、炉体；101、炉壳；102、保温层；103、内衬；104、碳化硅横梁；105、活动塞块；110、炉腔；120、炉门；130、安装组件；131、旋转轴；132、转臂；133、自转轴；134、压紧件；135、连接件；140、排水口；150、密封条；160、通孔；170、进气预热室；180、进气孔；200、匣钵；300、棍棒；410、上加热元件；411、上加热密封盒；420、下加热元件；421、下加热密封盒；500、进气系统；510、进气管路；511、主管路；512、底部进气管；513、侧部进气管；5131、上侧部支管；5132、中侧部支管；5133、下侧部支管；520、气氛控制单元；521、质量流量计；522、转子流量计；600、温控单元；610、上热电偶；620、中热电偶；630、下热电偶；700、排气系统；701、出气孔；710、废气排放收集室；720、排气管；800、循环水冷结构；810、循环水管；820、进水管；830、出水管。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1至图5所示，本实施例的用于模拟锂电池正极材料烧结实验的箱式炉，包括炉体100和设于炉体100内的炉腔110，炉体100一侧设有炉门120，炉腔110内设有用于支撑匣钵200的棍棒300以及设于棍棒300上方的上加热元件410和设于棍棒300下方的下加热元件420，炉腔110设有进气系统500和排气系统700，进气系统500包括进气管路510和气氛控制单元520，气氛控制单元520用于控制炉腔110内的进气量，以使炉腔110的气氛与实际生产时保持一致，炉腔110内还设有温控单元600，温控单元600用于控制炉腔110内的温度，以使炉腔110的温度与实际生产的温度匹配，炉体100的底部设有排水口140。

打开炉门120，可以将匣钵200送入炉腔110内的棍棒300上，匣钵200用来装锂电池正极材料，进气管路510用于对炉腔110内充入工艺气体，上加热元件410和下加热元件420对匣钵200进行加热，排水口140用于将炉腔110内的水汽冷凝后的废水排出。

本实施例中，模拟实验用的箱式炉，其整体空间与实际生产时炉体的空间相当，结构基本相同，并且具有以下特点，其一，炉腔110内采用棍棒300进行支撑匣钵200，模拟实际生产时炉体内的棍棒输送系统；其二，设计有气氛控制单元520，能准确控制炉腔110内气氛的用量，使得其与大生产时炉体内的升温段、高温段、降温段等保持一致；其三，设计有温控单元600，能精确模拟大生产的温度曲线，使得烧结的工艺与大生产的炉体一致；该箱式炉的炉腔110的结构与大生产的辊道炉炉腔环境一致，有效提高了实验原料配比的可复制性（实验的原料配比可以直接用于大生产），使得大生产的烧结产品与实验结果保持一致，这样大批量生产时产品性能会与实验时区别较小。

本实施例中，进气管路510包括一根主管路511和三个分支管路，三个分支管路分别为底部进气管512和两个侧部进气管513，底部进气管512设于炉体100的底部，两个侧部进气管513分别位于炉体100的两侧壁上，气氛控制单元520包括气氛控制模块（图中未示出）、质量流量计521和两个转子流量计522，质量流量计521位于主管路511上，两个侧部进气管513上分别设有转子流量计522，底部进气管512与两个侧部进气管513共用转子流量计522，如此可以减少一个转子流量计522（实际可以是三个分支管路各设有一个转子流量计522）。

本实施例中，侧部进气管513分成上侧部支管5131、中侧部支管5132和下侧部支管5133，三个侧支管分别从侧壁引入炉腔110。炉体100侧壁设有用于对上加热元件410密封的上加热密封盒411以及对下加热元件420密封的下加热密封盒421，上加热密封盒411、下加热密封盒421与炉腔110连通，上侧部支管5131与上加热密封盒411连接，下侧部支管5133与下加热密封盒421连接，炉体100侧壁于上加热密封盒411和下加热密封盒421之间设有通孔160，中侧部支管5132与通孔160连接。

气氛控制模块用于控制质量流量计521和转子流量计522的输出，具体为：

根据实际生产的升温段、高温段、降温段的进气量，通过气氛控制模块自动调节质量流量计521输出每段的总进气量，然后经过两个转子流量计522从底部、侧面、各加热密封盒进入炉膛。质量流量计521的目的是控制每段的总进气量，转子流量计522的目的是可以根据实际需求手动控制炉底、侧面、各加热密封盒等各个点的所需进气量。通过该精确的气氛控制单元520，能根据升温段、高温段、降温段所需不同的气氛进行自动调节。

本实施例中，温控单元600包括上热电偶610、中热电偶620、下热电偶630和温控模块，上热电偶610靠近上加热元件410，下热电偶630靠近下加热元件420，中热电偶620位于上热电偶610与下热电偶630的中间。采用闭环控制，各热电偶用于测得炉腔110内温度并反馈给温控模块，温控模块用于将测得的温度与设定温度进行对比并控制各加热元件的输出。

本实施例中，炉腔110的下方设有进气预热室170，底部进气管512与进气预热室170连接，进气预热室170与炉腔110之间设有通过三个进气孔180连通。设计进气预热室170，工艺气体进入炉腔110前先进行预热，然后分多路进入炉腔110。

本实施例中，排气系统700包括废气排放收集室710和排气管720，废气排放收集室710位于炉腔110的上方，并与炉腔110之间通过多个出气孔701连通，排气管720一端与废气排放收集室710连接，另一端伸出炉体100外。废气排放收集室710是用耐火材料堆砌出来，经过收集室避免废气凝结掉入炉腔110内，然后从排气管720排出炉外，排气管720可调节排气速度，控制箱式炉内的压力。

本实施例中，炉门120通过安装组件130与炉体100连接，安装组件130包括旋转轴131和两个转臂132，旋转轴131设于炉体100上，两个转臂132分别固定于旋转轴131的两端，炉门120两端通过一自转轴133分别与两个转臂132连接，炉体100侧壁上还设有用于压紧炉门120的压紧件134，压紧件134为压紧手柄（外购件），压紧手柄通过一连接件135固定在炉体100侧壁上。通过旋转轴131可进行炉门120的打开和关闭，炉门120还可以通过自转轴133进行自转来进行调节，防止炉门120内耐火材料与炉膛耐火材料发生碰撞。

本实施例中，炉门120与炉体100之间设有循环水冷结构800，循环水冷结构800包括循环水管810和设于循环水管810上的进水管820和出水管830，循环水管810装设于炉体100上，炉门120通过一密封条150抵靠在循环水管810上。采用下进上出的方式，使循环水能充满整个循环水管810，从而达到循环冷却的目的。循环水管810由方钢拼接而成，形成一个方形的水流循环通道。由于炉门120直接与炉体接触与设置循环水冷结构800，减少炉腔110的热量传递至炉门120，避免炉门120变形损坏。

本实施例中，炉体100由炉壳101、保温层102和内衬103组成，保温层102位于炉壳101内壁与内衬103之间，内衬103围成的空间形成炉腔110，保温层102和内衬103上对应炉门120的部分形成可拆卸的活动塞块105，打开炉门120取出活动塞块105，即可将匣钵200送入炉腔110内。内衬103为特制材料，可防水，避免锂电池正极材料烧结挥发的水分腐蚀内衬材料。保温层102为耐火材料。炉腔110内，顶部的耐火材料通过碳化硅横梁104支撑，碳化硅横梁104为烧结碳化硅材质。上下加热元件均为硅碳棒，采用两组12根上下加热方式进行加热；棍棒300为碳化硅材质，用来承载匣钵200。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种用于模拟锂电池正极材料烧结实验的箱式炉，其特征在于：包括炉体（100）和设于炉体（100）内的炉腔（110），所述炉体（100）一侧设有炉门（120），所述炉腔（110）内设有用于支撑匣钵（200）的棍棒（300）以及设于棍棒（300）上方的上加热元件（410）和设于棍棒（300）下方的下加热元件（420），所述炉腔（110）设有进气系统（500）和排气系统（700），所述进气系统（500）包括进气管路（510）和气氛控制单元（520），所述气氛控制单元（520）用于控制炉腔（110）内的进气量，以使炉腔（110）的气氛与实际生产时保持一致，所述炉腔（110）内还设有温控单元（600），所述温控单元（600）用于控制炉腔（110）内的温度，以使炉腔（110）的温度与实际生产的温度匹配，所述炉体（100）的底部设有排水口（140），所述进气管路（510）包括一根主管路（511）和三个分支管路，所述三个分支管路分别为底部进气管（512）和两个侧部进气管（513），所述底部进气管（512）设于炉体（100）的底部，两个侧部进气管（513）分别位于炉体（100）的两侧壁上，所述侧部进气管（513）分成上侧部支管（5131）、中侧部支管（5132）和下侧部支管（5133），三个侧支管分别从侧壁引入炉腔（110），所述炉体（100）侧壁设有用于对上加热元件（410）密封的上加热密封盒（411）以及对下加热元件（420）密封的下加热密封盒（421），所述上加热密封盒（411）、下加热密封盒（421）与炉腔（110）连通，所述上侧部支管（5131）与上加热密封盒（411）连接，下侧部支管（5133）与下加热密封盒（421）连接，所述炉腔（110）的下方设有进气预热室（170），所述底部进气管（512）与进气预热室（170）连接，所述进气预热室（170）与炉腔（110）之间设有通过多个进气孔（180）连通，所述排气系统（700）包括废气排放收集室（710）和排气管（720），所述废气排放收集室（710）位于炉腔（110）的上方，并与炉腔（110）之间通过多个出气孔（701）连通，所述排气管（720）一端与废气排放收集室（710）连接，另一端伸出炉体（100）。

2.根据权利要求1所述的用于模拟锂电池正极材料烧结实验的箱式炉，其特征在于：所述气氛控制单元（520）包括气氛控制模块、质量流量计（521）和多个转子流量计（522），所述质量流量计（521）位于主管路（511）上，所述底部进气管（512）和侧部进气管（513）上分别设有所述转子流量计（522），所述气氛控制模块用于控制质量流量计（521）和转子流量计（522）的输出。

3.根据权利要求1所述的用于模拟锂电池正极材料烧结实验的箱式炉，其特征在于：所述炉体（100）侧壁于上加热密封盒（411）和下加热密封盒（421）之间设有通孔（160），所述中侧部支管（5132）与所述通孔（160）连接。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的用于模拟锂电池正极材料烧结实验的箱式炉，其特征在于：所述温控单元（600）包括上热电偶（610）、中热电偶（620）、下热电偶（630）和温控模块，所述上热电偶（610）靠近上加热元件（410），所述下热电偶（630）靠近下加热元件（420），所述中热电偶（620）位于上热电偶（610）与下热电偶（630）的中间，各热电偶用于测得炉腔（110）内温度并反馈给温控模块，温控模块用于将测得的温度与设定温度进行对比并控制各加热元件的输出。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的用于模拟锂电池正极材料烧结实验的箱式炉，其特征在于：所述炉门（120）通过安装组件（130）与炉体（100）连接，所述安装组件（130）包括旋转轴（131）和两个转臂（132），所述旋转轴（131）设于炉体（100）上，所述两个转臂（132）分别固定于旋转轴（131）的两端，所述炉门（120）两端通过一自转轴（133）分别与两个转臂（132）连接，所述炉体（100）侧壁上还设有用于压紧炉门（120）的压紧件（134）。

6.根据权利要求1至3任意一项所述的用于模拟锂电池正极材料烧结实验的箱式炉，其特征在于：所述炉门（120）与炉体（100）之间设有循环水冷结构（800），所述循环水冷结构（800）包括循环水管（810）和设于循环水管（810）上的进水管（820）和出水管（830），所述循环水管（810）装设于炉体（100）上，所述炉门（120）通过一密封条（150）抵靠在循环水管（810）上。

7.根据权利要求1至3任意一项所述的用于模拟锂电池正极材料烧结实验的箱式炉，其特征在于：所述炉体（100）由炉壳（101）、保温层（102）和内衬（103）组成，所述保温层（102）位于炉壳（101）内壁与内衬（103）之间，所述内衬（103）围成的空间形成所述炉腔（110），所述保温层（102）和内衬（103）上对应炉门（120）的部分形成可拆卸的活动塞块（105）。

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