CN114247334A - 一种碳渗锂生产设备及碳渗锂生产方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及新材料生产设备的领域，尤其是涉及一种碳渗锂生产设备及碳渗锂生产方法。一种碳渗锂生产设备，包括熔锂装置、混合装置和输送装置；熔锂装置包括液化罐和加热液化罐的液化加热机构；混合装置包括用于容纳微孔碳的沉积罐以及搅拌机构；输送装置包括连接液化罐并用于输送液态锂的输锂通道、对液态锂加压的加压机构，以及位于沉积罐内并与输锂通道连接的雾化喷头。制备碳渗锂材料时，将锂置于液化罐内，并将微孔碳置于沉积罐内，然后通过加热机构加热液化罐使锂熔化形成液态锂。通过加压输送液态锂，使得液态锂在经过雾化喷头后转为雾化状态与微孔碳混合搅拌，最终形成碳渗锂材料。

Description

一种碳渗锂生产设备及碳渗锂生产方法
技术领域
本申请涉及新材料生产设备的领域，尤其是涉及一种碳渗锂生产设备及碳渗锂生产方法。
背景技术
锂硫电池的负极由锂金属构成。锂是最轻的碱金属元素,也是电势最低的电极材料，相对于标准氢电极，锂的电势为-3.04V,具有极强的还原性,几乎可与所有的电解液发生反应。锂在电极表面的生长受锂核与电极基底结合力的影响，可分为两种模式，一种是表面式生长，另一种是根植式生长。当锂与基底结合力较强时，发生表面式生长，即与电解液发生歧化反应生成电解质界面膜层（SEI）。SEI层对离子导电，对电子绝缘，因其生长不均匀，不能充分钝化负极表面，导致锂持续与电解液发生反应，不仅消耗电解液，而且降低电池的库伦效率，并且较厚的SEI层阻碍了离子的扩散和迁移。当锂与基底结合力较弱时，发生根植式生长，锂负极生成树枝状的锂枝晶。锂枝晶的生长会使SEI层破裂，进一步消耗电解液和锂负极，枝晶生长过长还将刺破隔膜，造成电池短路，而枝晶若从基底脱落，便成为“死锂”，降低电池循环效率，限制了锂硫电池的寿命。
碳材料因具有丰富的多孔结构，以碳为基体的改性锂负极材料成为研究的一个热点方向。碳骨架中富含的多孔有利于锂的沉积，可减少锂枝晶的生成，增强负极的稳定性，从而延长锂硫电池的使用寿命。
针对上述需求，申请人与高校合作开发碳渗锂材料项目，本合作项目中由申请人独立开发碳渗锂的生产设备，以满足碳渗锂材料的生产、制备需求。
发明内容
为了生产、制备碳渗锂材料，本申请提供一种碳渗锂生产设备。
第一方面，本申请提供一种碳渗锂生产设备，采用如下的技术方案：
一种碳渗锂生产设备，包括熔锂装置、混合装置和输送装置；
熔锂装置包括液化罐和加热液化罐的液化加热机构；
混合装置包括用于容纳微孔碳的沉积罐以及搅拌机构；
输送装置包括连接液化罐并用于输送液态锂的输锂通道、对液态锂加压的加压机构，以及位于沉积罐内并与输锂通道连接的雾化喷头。
通过采用上述技术方案，制备碳渗锂材料时，将锂置于液化罐内，并将微孔碳置于沉积罐内，然后通过加热机构加热液化罐使锂熔化形成液态锂。通过加压输送液态锂，使得液态锂在经过雾化喷头后转为雾化状态与微孔碳混合搅拌，最终形成碳渗锂材料。
优选的，所述加压机构包括设置在液化罐上用于向液化罐内输气加压的进气口。
通过采用上述技术方案，在液化罐上设置进气口，使得可以通过充惰性气体加压的方式，将液态锂输送出来。
优选的，所述沉积罐上端开口且铰接有沉积盖板；所述输锂通道为输锂管，输锂管包括至少一段硬管和至少一段软管，输锂管穿过沉积盖板，位于沉积盖板外的一侧为软管，位于沉积罐与雾化喷头连接的为硬管。
通过采用上述技术方案，沉积罐上开口并设置沉积盖板，使得可以通过开启沉积盖板来对沉积罐的内部进行操作。输锂管位于沉积盖板外侧的部分设置为软管来使得沉积盖板启闭的时候不会被阻碍，而位于沉积盖板内侧的部分设置为硬管使得沉积盖板关闭的情况下，雾化喷头的位置是固定的，使得雾化喷头能够将液态锂雾化后喷到特定的区域。
优选的，所述沉积罐内位于雾化喷头下方的位置设有料盘，所述料盘的下方设有中空的冷却盘，所述冷却盘连接有进液管和出液管，所述沉积罐的外侧设有对沉积罐进行加热的沉积加热机构。
通过采用上述技术方案，在沉积罐内位于雾化喷头下方的位置设置料盘来容纳微孔碳并接收雾化喷头喷出的物料。通过沉积加热机构对沉积罐进行加热让雾化状态的锂始终处于高温环境，并通过冷却盘对微孔碳进行冷却降温使微孔碳处于高室温、低于锂温的状态，使得高温的锂能够更快地向微孔碳内部的空隙结构渗透。
优选的，所述冷却盘的中心成型有通孔，所述料盘的中心成型有中心柱，所述中心柱的中心成型有贯穿料盘的通孔，当料盘置于冷却盘的上方时，料盘中心的通孔与冷却盘的通孔正对；所述搅拌机构包括位于沉积罐外的旋转动力源、与旋转动力源连接并伸入沉积罐内的横向传动轴、穿过冷却盘和料盘上通孔的竖直传动轴，以及连接在竖直传动轴穿出料盘一端的搅拌桨；所述竖直传动轴与搅拌桨可拆卸连接，旋转动力源经横向传动轴和竖直传动轴传动后驱动搅拌桨转动。
通过采用上述技术方案，在冷却盘和料盘的中心成型通孔，并将竖直传动轴和搅拌桨设置为可拆卸连接的状态，使得在生产完碳渗锂材料后，可以将搅拌桨拆卸后，把料盘取出后将碳渗锂装入其他容器。搅拌机构不会干涉到料盘的取出。
优选的，所述搅拌桨包括套轴和连接在套轴外侧面的桨叶，所述套轴下端开口且套设在中心柱的外侧。
通过采用上述技术方案，通过套轴套在中心柱外侧的设计，使得搅拌机构需要超出料盘的结构高度尽可能的小，节省设备高度空间。
优选的，所述液化罐的侧面设置有抽真空口、进气口，并在液化罐的侧面安装有压力计和低真空计，所述液化罐上端开口，且在开口处罩有第一手套箱；所述沉积罐的侧面设置有抽真空口、进气口，并在沉积罐的侧面安装有低真空计和高真空计，所述沉积罐上端开口，且在开口处罩设有第二手套箱。
通过采用上述技术方案，在液化罐和沉积罐的侧面设置抽真空口来连接真空泵抽真空，使得液化罐和沉积罐内处于真空状态，避免锂加热后氧化。通过低真空计监测液化罐内抽真空时的真空度，通过压力计监测液化罐内充惰性气体加压时的压力。通过低真空计和高真空计监测沉积罐内抽真空时的真空度。
优选的，所述液化罐为容器内部通过分隔板上下分隔后的上半部分，所述沉积罐为容器内部通过分隔板上下分隔后的下半部分，所述输锂通道为分隔板中部成型的通孔，所述分隔板的下方安装有控制阀和雾化喷头，当控制阀打开时，雾化喷头与输锂通道相连通。
通过采用上述技术方案，将容器上下分隔后作为液化罐和沉积罐，液化罐内的锂熔化形成液态锂后，可以对液化罐加压并打开控制阀，使得液态锂加压经过雾化喷头后喷射入沉积罐内。
优选的，所述搅拌桨包括搅拌轴和桨叶，搅拌轴于中心柱上方的位置与竖直传动轴可拆卸连接，所述桨叶往远离搅拌轴的方向倾斜向下延伸至料盘内。
通过采用上述技术方案，在竖直传动轴的上方连接搅拌轴，桨叶延伸至料盘内，在转动的时候可以搅拌物料。同时生产完毕后可以将搅拌桨拆除来方便取出料盘。
第二方面，本申请提供一种碳渗锂生产方法，采用如下的技术方案：
一种碳渗锂生产方法，包括：
步骤一、锂置于液化罐内，微孔碳置于沉积罐内；
步骤二、液化罐、沉积罐抽真空；
步骤三、加热液化罐生成液态锂；
步骤四、将液态锂加压输送，经液态锂雾化喷头后送入沉积罐内；
步骤五、搅拌锂和微孔碳形成锂渗碳。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.制备碳渗锂材料时，将锂置于液化罐内，并将微孔碳置于沉积罐内，然后通过加热机构加热液化罐使锂熔化形成液态锂。通过加压输送液态锂，使得液态锂在经过雾化喷头后转为雾化状态与微孔碳混合搅拌，最终形成碳渗锂材料。
2.通过沉积加热机构对沉积罐进行加热让雾化状态的锂始终处于高温环境，并通过冷却盘对微孔碳进行冷却降温使微孔碳处于高室温、低于锂温的状态，使得高温的锂能够更快地向微孔碳内部的空隙结构渗透。
附图说明
图1是实施例一的结构示意图；
图2是实施例一隐藏手套箱后的结构示意图；
图3是图2中A处的放大图；
图4是实施例一中液化罐的剖视示意图；
图5是实施例一中沉积罐的剖视示意图；
图6是实施例一中料盘、搅拌机构、冷却机构的爆炸示意图；
图7是实施例二中液化罐和沉积罐的剖视示意图；
图8是实施例三的结构示意图；
图9是实施例四中料盘、搅拌桨的剖视示意图。
附图标记说明：1、熔锂装置；2、混合装置；3、输送装置；4、熔锂支架；5、液化罐；6、液化加热机构；7、第一手套箱；8、液化盖板；9、第一锁定件；10、把手；11、压紧块；12、第一排锂手阀；13、抽真空口；14、进气口；15、压力计；16、低真空计；17、混合支架；18、沉积罐；19、沉积加热机构；20、料盘；21、搅拌机构；22、冷却机构；23、第二手套箱；24、沉积盖板；25、第二锁定件；26、第二排锂手阀；27、高真空计；28、冷却盘；29、进液管；30、出液管；31、支撑柱；32、中心柱；33、旋转动力源；34、横向传动轴；35、竖直传动轴；36、搅拌桨；37、套轴；38、桨叶；39、输锂管；40、控制阀；41、雾化喷头；42、分隔板；43、高温泵；44、搅拌轴。
具体实施方式
以下结合附图X-X对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种碳渗锂生产设备及碳渗锂生产方法。
实施例一：
如图1所示，碳渗锂生产设备包括用于加热锂至熔化生成液态锂的熔锂装置1、用于储放微孔碳并将微孔碳和液态锂搅拌混合生成碳渗锂材料的混合装置2，以及用于输送液态锂进入混合装置2的输送装置3。
如图1和图2所示，熔锂装置1包括熔锂支架4、固定在熔锂支架4上的液化罐5和用于加热液化罐5的液化加热机构6。液化罐5为上端敞口设计，熔锂支架4上安装有罩住液化罐5上开口的第一手套箱7，操作人员可以通过第一手套箱7对液化罐5进行操作。液化罐5的上端铰接有液化盖板8，液化盖板8的下表面嵌设有密封圈，通过密封圈和液化罐5挤压形成密封面。如图2和图3所示，熔锂支架4上位于液化盖板8两侧的位置各转动连接有一个第一锁定件9，第一锁定件9包括用于方便人抓取操作的把手10以及压紧块11，通过操作把手10将第一锁定件9转动至压紧块11贴合压紧液化盖板8的上表面时，液化罐5和液化盖板8之间密封。液化加热机构6为包覆液化罐5下半部分的加热夹套，通过在加热夹套内通循环的热油来对液化罐5内部进行加热。
如图2和图4所示，液化罐5的底部安装有第一排锂手阀12，液化罐5的侧面设置有抽真空口13、进气口14，并在液化罐5的侧面安装有压力计15和低真空计16，通过抽真空口13连接真空泵。加热熔化锂之前将液化罐5内的空气抽出，避免锂在加热过程中氧化，抽真空的过程中通过低真空计16监测液化罐5内的真空度。锂加热熔化形成液态锂后，通过进气口14向液化罐5内充惰性气体加压，使得液态锂在加压后通过输送装置3输送至混合装置2。加压的过程中通过压力计15来监测液化罐5内的压力。
如图2和图5所示，混合装置2包括混合支架17、固定在混合支架17上的沉积罐18、用于对沉积罐18进行加热的沉积加热机构19、位于沉积罐18内的料盘20、用于对料盘20内的物料进行搅拌的搅拌机构21，以及用于冷却料盘20的冷却机构22。沉积罐18的上端敞口，且混合支架17上安装有罩住沉积罐18上开口的第二手套箱23（图1中示出），操作人员可以通过第二手套箱23对沉积罐18进行操作。沉积罐18的上端铰接有沉积盖板24，沉积盖板24的下表面嵌设有密封圈，通过密封圈和沉积罐18挤压形成密封面。混合支架17上位于沉积罐18两侧的位置各转动连接有一个第二锁定件25，第二锁定件25的结构与第一锁定件9相同，区别仅在于安装位置不同。通过转动第二锁定件25的把手10使第二锁定件25的压紧块11抵接沉积盖板24的上表面使沉积盖板24盖紧沉积罐18。沉积加热机构19为包覆沉积罐18外侧的加热夹套。
如图2和图5所示，沉积罐18的底部安装有第二排锂手阀26，沉积罐18的侧面设置有抽真空口13、进气口14，并在沉积罐18的侧面安装有低真空计16和高真空计27。通过抽真空口13连接真空泵，粗抽真空后，通过进气口14向沉积罐18内输入惰性气体，然后再抽高真空，使沉积罐18内处于无氧状态。
如图5和图6所示，冷却机构22包括中心成型有通孔的冷却盘28以及与冷却盘28连接的进液管29、出液管30。冷却盘28内部为空心结构，冷却盘28通过下方的四根支撑柱31和沉积罐18的底部连接，进液管29、出液管30从沉积罐18的侧面穿出。料盘20位于冷却盘28的上方，且料盘20的中心成型有垂直于料盘20底面的中心柱32，中心柱32的中心成型有贯穿料盘20的通孔。当料盘20置于冷却盘28的上方时，料盘20中心的通孔与冷却盘28的通孔正对。
如图5和图6所示，搅拌机构21包括位于沉积罐18外的旋转动力源33、与旋转动力源33连接并伸入沉积罐18内的横向传动轴34、穿过冷却盘28和料盘20上通孔的竖直传动轴35，以及连接在竖直传动轴35穿出料盘20一端的搅拌桨36。横向传动轴34和竖直传动轴35之间通过锥齿轮配合传动。搅拌桨36包括套轴37和连接在套轴37外侧面的桨叶38。套轴37下端开口，使得套轴37可以套在中心柱32的侧面，同时竖直传动轴35的上端与套轴37键连接或其他方式可拆卸连接。
如图4和图5所示，输送装置3包括从液化罐5侧面插入液化罐5内的输锂管39、安装在输锂管39上的控制阀40，以及伸入混合装置2的雾化喷头41。将输锂管39作为输锂通道来输送液态锂。输锂管39包括两段硬管和一段软管，其中一段硬管的一端插入液化罐5内并延伸至液化罐5底部靠近第一排锂手阀12的位置，硬管的另一端与混合支架17连接，控制阀40安装在这段硬管上。硬管与混合支架17连接处通过转动接头转接软管。软管的另一端连接至沉积盖板24的中心并通过转接头转接伸入沉积罐18内的另一段硬管，雾化喷头41连接在硬管位于沉积罐18内的一端。通过液化罐5上的进气口作为加压机构来向液化罐5内冲入惰性气体加压，液态锂在加压后从输锂管39排出，当液态锂在加压状态下通过雾化喷头41后变成雾化状态。
使用锂渗碳生产设备生产锂渗碳的方法：
步骤一、锂置于液化罐5内，微孔碳置于沉积罐18的料盘20内。
步骤二、液化罐5、沉积罐18抽真空。
步骤三、加热液化罐5生成液态锂。
步骤四、向液化罐5内注入惰性气体加压，使液态锂通过输锂管39输送至沉积罐18内，并在经过雾化喷头41后形成雾化状态撒入沉积罐18的料盘20内。
步骤五、搅拌机构21搅拌，使锂混合渗透入微孔碳内形成锂渗碳。
实施例二：
如图7所示，本实施例的碳渗锂生产设备和实施例一的区别在于，本实施例方案中将一个容器内部通过分隔板42进行上下分隔，上半部分分隔后作为液化罐5，下半部分分隔后作为沉积罐18。液化罐5和沉积罐18的侧面开口，液化罐5的侧面铰接有液化盖板8，沉积罐18的侧面铰接有沉积盖板24。分隔板42的中部成型有通孔作为输锂通道，雾化喷头41连接控制阀40后安装在分隔板42的下方，当控制阀40打开时，雾化喷头41与输锂通道相连通。液化加热机构6和沉积加热机构19采用外侧设置加热丝或其他加热方式。
实施例三：
如图8所示，本实施例的碳渗锂生产设备和实施例一的区别在于，本实施例方案中液化罐5上不设置进气口14，并在输锂管39上设置有高温泵43。通过高温泵43作为加压机构来加压液态锂。
实施例四：
如图9所示，本实施例的碳渗锂生产设备和实施例一的区别在于，本实施例方案中搅拌机构21的搅拌桨36包括搅拌轴44和桨叶38，搅拌轴44于中心柱32上方的位置与竖直传动轴35可拆卸连接。桨叶38往远离搅拌轴44的方向倾斜向下延伸，使得桨叶38伸入料盘20内，并在驱动旋转时可以搅拌料盘20内的物料。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳渗锂生产设备，其特征在于，包括熔锂装置(1)、混合装置(2)和输送装置(3)；
熔锂装置(1)包括液化罐(5)和加热液化罐(5)的液化加热机构(6)；
混合装置(2)包括用于容纳微孔碳的沉积罐(18)以及搅拌机构(21)；
输送装置(3)包括连接液化罐(5)并用于输送液态锂的输锂通道、对液态锂加压的加压机构，以及位于沉积罐(18)内并与输锂通道连接的雾化喷头(41)。
2.根据权利要求1所述的碳渗锂生产设备，其特征在于，所述加压机构包括设置在液化罐(5)上用于向液化罐(5)内输气加压的进气口(14)。
3.根据权利要求1或2所述的碳渗锂生产设备，其特征在于，所述沉积罐(18)上端开口且铰接有沉积盖板(24)；所述输锂通道为输锂管(39)，输锂管(39)包括至少一段硬管和至少一段软管，输锂管(39)穿过沉积盖板(24)，位于沉积盖板(24)外的一侧为软管，位于沉积罐(18)与雾化喷头(41)连接的为硬管。
4.根据权利要求1或2所述的碳渗锂生产设备，其特征在于，所述沉积罐(18)内位于雾化喷头(41)下方的位置设有料盘(20)，所述料盘(20)的下方设有中空的冷却盘(28)，所述冷却盘(28)连接有进液管(29)和出液管(30)，所述沉积罐(18)的外侧设有对沉积罐(18)进行加热的沉积加热机构(19)。
5.根据权利要求4所述的碳渗锂生产设备，其特征在于，所述冷却盘(28)的中心成型有通孔，所述料盘(20)的中心成型有中心柱(32)，所述中心柱(32)的中心成型有贯穿料盘(20)的通孔，当料盘(20)置于冷却盘(28)的上方时，料盘(20)中心的通孔与冷却盘(28)的通孔正对；所述搅拌机构(21)包括位于沉积罐(18)外的旋转动力源(33)、与旋转动力源(33)连接并伸入沉积罐(18)内的横向传动轴(34)、穿过冷却盘(28)和料盘(20)上通孔的竖直传动轴(35)，以及连接在竖直传动轴(35)穿出料盘(20)一端的搅拌桨(36)；所述竖直传动轴(35)与搅拌桨(36)可拆卸连接，旋转动力源(33)经横向传动轴(34)和竖直传动轴(35)传动后驱动搅拌桨(36)转动。
6.根据权利要求5所述的碳渗锂生产设备，其特征在于，所述搅拌桨(36)包括套轴(37)和连接在套轴(37)外侧面的桨叶(38)，所述套轴(37)下端开口且套设在中心柱(32)的外侧。
7.根据权利要求5所述的碳渗锂生产设备，其特征在于，所述搅拌桨(36)包括搅拌轴(44)和桨叶(38)，搅拌轴(44)于中心柱(32)上方的位置与竖直传动轴(35)可拆卸连接，所述桨叶(38)往远离搅拌轴(44)的方向倾斜向下延伸至料盘(20)内。
8.根据权利要求1所述的碳渗锂生产设备，其特征在于，所述液化罐(5)的侧面设置有抽真空口(13)、进气口(14)，并在液化罐(5)的侧面安装有压力计(15)和低真空计(16)，所述液化罐(5)上端开口，且在开口处罩有第一手套箱(7)；所述沉积罐(18)的侧面设置有抽真空口(13)、进气口(14)，并在沉积罐(18)的侧面安装有低真空计(16)和高真空计(27)，所述沉积罐(18)上端开口，且在开口处罩设有第二手套箱(23)。
9.根据权利要求1所述的碳渗锂生产设备，其特征在于，所述液化罐(5)为容器内部通过分隔板(42)上下分隔后的上半部分，所述沉积罐(18)为容器内部通过分隔板(42)上下分隔后的下半部分，所述输锂通道为分隔板(42)中部成型的通孔，所述分隔板(42)的下方安装有控制阀(40)和雾化喷头(41)，当控制阀(40)打开时，雾化喷头(41)与输锂通道相连通。
10.一种碳渗锂生产方法，其特征在于，包括：
步骤一、锂置于液化罐(5)内，微孔碳置于沉积罐(18)内；
步骤二、液化罐(5)、沉积罐(18)抽真空；
步骤三、加热液化罐(5)生成液态锂；
步骤四、将液态锂加压输送，经液态锂雾化喷头(41)后送入沉积罐(18)内；
步骤五、搅拌锂和微孔碳形成锂渗碳。
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