CN201549544U - 二次铝电池碳硫高压嵌渗装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于二次铝电池正极活性物质制备的装置，更具体地说公开了一种或几种碳基的表面和孔内用一定的压力和温度嵌渗硫的装置，即二次铝电池碳硫高压嵌渗装置。该装置包括支架或机架及炉体、控制部分、罐体和传动部分。该设备采用电阻方式加热，温度传感器测温；材料在嵌渗罐体内压力嵌渗，动力翻动；采用PLC设置程序、控制加温、保温和翻动转速。碳硫高压嵌渗装置在嵌渗过程中，达到嵌渗平衡压力后自动保温和翻动，自动化程度高，操作人员的劳动强度低，硫嵌渗均匀、不结块、嵌渗量高。

Description

二次铝电池碳硫高压嵌渗装置

技术领域

本实用新型涉及到二次铝电池正极活性材料的制备装置，使用该实用新型的装置能在碳基上进行硫的嵌渗。还涉及到机械、压力容器和冶炼，由该装置制备的材料涉及到电化学。更具体地说本实用新型涉及到在碳基上嵌渗硫的一种装置，能使硫在一定压力下嵌渗到碳基上，从而提高碳硫正极可逆活性材料比容量的制备装置。

背景技术

随着人们对高能量密度电源的渴求，迫切需要廉价、安全、环保及高性能的二次电池的开发与应用。以铝及其合金为负极材料、具有硫-硫键的硫基化合物为正极的二次铝硫电池则是满足上述要求的电池之一。铝、硫材料安全、环保、价格低廉且资源丰富，电池安全性好。金属铝理论能量密度高达2980mAh/g，仅次于金属锂(3862mAh/g)。其体积比容量为8050mAh/cm³，约为锂(2040mAh/cm³)的4倍，铝电极电位在中性及酸性介质中为-1.66V，在碱性介质中为-2.35V，元素硫也具有较大的理论能量密度(1670mAh/g)，二者都是理想的高能电池材料。

虽然硫的理论容量很高，但单质硫(S₈)是绝缘体，电化学活性很低，实际容量很低。放电产物铝硫化合物容易被电解质溶液所溶解，并与金属负极反应，使得循环容量衰减很快。通常的解决方法是，在正极材料的制作过程中，加入大量电子导体，解决硫不导电的缺点。活性炭、石墨、碳纳米管等碳材料是最常用于硫正极复合材料的电子导体。

现有技术碳硫正极材料的制备设备使用的几乎全是管式炉。在惰性气体保护常压条件下、通过静态加热以实现碳硫的吸附。但由于在管式炉里的惰性气体为常压流通式，与外界相通，很大一部分气态硫随惰性气体排出，损失很多。一是效率低，硫损失大，造成包覆效率低；二是没有形成碳硫间化物，经过反应生成可溶性多硫化物，溶解于离子电解液中，生成不可逆反应的无序硫；三是没有翻滚搅拌，包覆不均匀，底部结块；四是气态硫随惰性气体排出，污染了环境。由于没有相应的条件，基本都是碳硫的混和，所以容量不高，可逆反应差。

发明内容

本实用新型提供一种可翻滚能加压(力)嵌渗(管式)炉，通过翻滚使炉内的碳硫材料更均匀地复合，气态硫和熔融硫在一定压力和温度下，在碳基上实现嵌渗。

本实用新型装置的目的在于提供一种碳基硫正极材料制备的装置。

本发明的另一目的是为了实现一种“碳基嵌渗硫”工艺。“碳基嵌渗硫”是指通过本实用新型装置，将置于其中的碳硫混合物加热、加压以及匀速翻滚搅拌，使炉内的碳硫材料更均匀地复合，使得气态硫和熔融硫嵌入和渗进碳材料的微孔内，从而实现硫被碳深度内包覆，提高硫正极活性材料的可逆性和比容量的一种工艺。也就是说，该装置具有工业实用性。关于这一点将在下面的具体操作步骤中作更详细的叙述。

本实用新型的二次铝电池碳硫高压嵌渗装置，通过下述技术方案予以实现，一种碳硫高压嵌渗装置：包括支架或机架1、炉体2、控制箱3、调速电机4、压力表5、安全阀6、传动皮带7、进气管及阀8、排气管及阀9、9-1、连接法兰及螺栓10、温度传感器11、罐体12、前转动轴及轴承13、后转动轴16-1、轴承16-2，

用于支撑炉体2和罐体12的支架或机架1是由钢材焊接成的钢结构件，前、后转动轴13、16-1通过两端的花键与罐体12联结，

其特征在于：

炉体2被水平设置在支架1上，该炉体2是该装置的加热部分，其外形呈圆柱体，中间是空心的炉膛17，其中的加热元件为铁铬铝合金丝，保温材料为硅酸铝耐火纤维、用于放置并加热罐体12的炉膛17是采用碳化硅环型耐火材料制成的管状体；炉膛17的两端用耐高温橡胶封住；

罐体12是其底部为半球形结构的罐体，如上所述：该罐体12被水平地设置在该炉体2的炉膛17内，其右面和左面有前转动轴、轴承13和后转动轴、轴承16-1、16-2，该罐体12被设置成可以稳定转动的翻滚压力管式炉，其右面伸出炉体2的部分还设有用于开启和密封罐体12的左、右连接法兰10，该连接法兰10上设有与调速电机4连接的部件，并通过传动皮带7与调速电机4和控制箱3连接，该法兰上设有2个小孔，分别插入测压管和用于放置安全伐的管，罐体12是全部由不锈钢钢焊接制成的，该罐体耐压达2.0-3.0兆帕，安全阀开启压力为1.6-2.0兆帕；

用于设置加热程序和控制炉温及转速的控制箱3是由PLC程序控制、温度表、转速表和功能按钮构成的。

花键与罐体12联结属于公知技术，此处不再描述。

如以上所述的二次铝电池碳硫高压嵌渗装置，其特征在于：上述炉体2是由金属外炉壁、金属多孔发热内炉壁18、炉膛17、环状多孔耐火绝缘套21(或简称耐火绝缘套21)、保温外炉套20、加热电阻丝19和测温孔15组成。

如以上所述的二次铝电池碳硫高压嵌渗装置，其特征在于：上述罐体12包括罐壁22、连接法兰10、10-1、封头14和罐盖，在封头14的中心点设置前转动轴、轴承13，连接法兰10、10-1上设置罗栓孔24、24-1和密封线23，该罐体耐压达2.5兆帕，安全阀开启压力为1.8兆帕。

如以上所述的二次铝电池碳硫高压嵌渗装置，其特征在于：罐盖上设置进气管8-1，在进气管8-1上安装进气阀8-2和压力表5，罐盖上设有罗栓孔24、24-1，在该盖的中心点安装后转动轴16-1，轴上设置轴承16-2，在另一管子上设置安全阀6和排气阀9-1。

利用本实用新型的装置实施硫在碳中的嵌渗的方法，参见本发明创造人的另一发明专利，此处再简单描述硫在碳中的嵌渗的方法，希望证明利用本装置可以达到实施硫在碳中的嵌渗的目的。

具体操作步骤如下：

1.由于转动轴13-1、16-1与罐体12之间用花键联结，因此，脱开转动轴13-1、16-1，取出嵌渗罐体12；卸开嵌渗罐体上的法兰罗栓10、10-1，开启罐体上盖(或简称罐盖)，往里面装料；(由于转动轴13-1、16-1与罐体12之间用花键联结，这样装卸便于装出料，很方便)；

2.装料后盖上罐盖，再拧紧法兰螺栓10、10-1，放入炉体2内，对上转动轴13-1、16-1上的花键；

3.在进气管8-1处接上通惰性气体软管，开启进气阀8-2；在排气管9处接上一根软管，将软管的另一端放入水中，开启排气阀9-1；此过程为排除罐内空(气)过程；

4.待完成排空后先关闭排气管9上的排气阀9-1，待压力表上显示所需保持的压力后，再关闭进气管8或8-1处的进气阀8-2；

5.拆除进气管8或8-1上的惰性气体进气软管和排气管9上的排气软管；

6.在控制箱4上根据以下所述的工艺设定：升温程序和嵌渗罐的转速；

7.升温程序可设8步，温度在10～1000℃调节，转速在0～200转/分内调节；

8、完成上述1～7操作以后即可开启控制箱3上的电源开关开始工作；

9、完成全部程序后自动关机；

10、出料：重复(1)的操作，就可以往外面出料；

11、出料以后将罐体清洗干净，重新装料后重复(2)、(3)的动作，进入下一轮生产过程。

本实用新型装置的特点是在碳硫嵌渗过程中，可以在排除空气后通入惰性气体保护；

本实用新型装置的另一个特点是在碳硫嵌渗过程中，可以加压和保持硫蒸气压力，形成碳硫间化物，提高了硫在碳中的嵌渗量；

本实用新型装置的再一个特点是在碳硫嵌渗过程中，嵌渗罐体可以转动，带动罐内材料翻滚搅拌；硫嵌渗均匀、不结块；

本实用新型装置的其他特点是在本装置内达到嵌渗平衡压力后能保温嵌渗；

本实用新型装置的其他特点是本装置自动化程度高，操作人员的劳动强度低。

本实用新型的装置与现有技术相比较，具有以下优点：

1.本实用新型装置在排空条件下同时加温、加压和翻转，达到嵌渗平衡压力后，气态硫和熔融硫在一定硫气压力下在碳基微孔内实现嵌渗；与普通管式炉包覆硫相比，实现了硫在碳基上的嵌渗，硫的利用率高，嵌渗量大，硫嵌渗均匀，不结块，实现了高效率自动化生产；

2.如上所述：由于提供了一种可翻滚压力管式炉，通过翻滚使炉内的碳硫材料更均匀地复合，气态硫和熔融硫在一定压力下在碳基上实现嵌渗，提高了碳硫正极可逆活性材料比容量；

3.由于气态硫和熔融硫在一定压力下在碳基上实现嵌渗，随惰性气体排出的气态硫的量大大减少，硫损失量小，对环境的污染小，因此，具有很好的环保效益；

4.本装置自动化程度高，操作人员的劳动强度低，具有很好的社会效益。

附图说明

图1是本实用新型的碳硫高压嵌渗装置结构示意图；

图2是本实用新型的碳硫高压嵌渗装置中的炉体结构示意图；

图2中：炉体是本实用新型装置的加热部分，由金属外炉壁、环状多孔耐火绝缘保温套、发热内炉膛、加热电阻丝和测温孔、炉腔或(炉膛)组成。它的特点为发热均匀，加热效果好；

图3是本实用新型的碳硫高压嵌渗装置中的罐体结构示意图；

图3中：碳硫高压嵌渗装置罐体是本装置的主要部分，该罐体包括：罐壁、封头、连接法兰、密封面转动轴和轴承，罐体是可转动的，全部采用耐高温不锈钢制成，耐腐蚀、耐高温、耐压、材料性质稳定，特别设计了密封面，采用石墨密封圈密封，高温下密封效果好；

图4是本实用新型的碳硫高压嵌渗装置中的罐体盖子结构示意图。

碳硫高压嵌渗装置罐盖结构虽然比较小，但比较复杂，也比较重要。它主要由法兰、

转动轴、轴承、进出气孔、压力表、安全阀组成，进出气管采用长短设计，可以防止在出气时罐内粉体被夹带着排出。

图中：

1、支架或机架：是用钢材焊接成的钢结构件，主要是支撑炉体和可以转动嵌渗罐体的，支撑嵌渗罐两端装有轴承。

2、炉体：是装置的加热部分，外形呈一圆柱体。加热元件采用铁铬铝合金丝、保温材料是硅酸铝耐火纤维、炉膛采用碳化硅环型耐火材料制成的管状体。

3、控制箱：是设置加热程序和控制炉温和转速的，包括PLC程序控制、温度表、转速表和功能按扭。

4、调速电机：带动罐体转动。

5、压力表：显示罐内压力。

6、安全阀：开启压力可调。设定后当罐内压力超过一定值时它就开启，使本装置能安全运行；

7、传动皮带：将调速电机的动力传给嵌渗罐，带动嵌渗罐转动。

8、进气管及阀：用不锈钢制成。装料后通入惰性气体，在嵌渗过程中关闭；

8-1、进气管：耐高温不锈钢管，伸入罐体中底部；以提高排空效果；

8-2、进气阀：进气控制的开关；

9、排气管及阀：用不锈钢制成，这是让罐内空气排出，在嵌渗过程前关闭；

9-1、排气阀：排气控制的开关；

10、连接法兰及螺栓：连接法兰及螺栓全部用不锈钢制成，紧固螺栓四个，拧开螺栓掀开上法兰就可加料，加料以后，盖上上法兰，拧紧螺栓罐体内就被封密了；

10-1、连接法兰用耐高温不锈钢材料制成，与罐壁焊接成一体；

11、温度传感器：用于测量炉内实际温度。

12、罐体：用不锈钢钢制成，底部是不锈钢封头，全部焊接而成，罐体经过2.5±0.5兆帕耐压试验。安全阀开启压力为1.8±0.2兆帕。

13、前转动轴及轴承：该转动轴使两端的花键与罐体联结。

13-1、前转动轴：金属材料制成，用以支撑罐体和安装轴承以及传动轮；

13-2、轴承：起支撑和转动功能；

14、封头用耐高温不锈钢材料压制而成，与罐壁焊接成一体；

15、测温孔是用来插入温度传感器的小孔，它在炉体的中部；

16、后转动轴及轴承：起支撑和转动功能。

16-1后转动轴金属材料制成，用以支撑罐体和安装轴承；

16-2轴承起支撑和转动功能。

17、炉膛是放入嵌渗罐体加热的，两端有耐高温橡胶封住；

18、发热内炉壁是导热性好、耐高温的金属制成，呈多孔状；

19、加热丝或加热电阻丝：是大功率加热电阻丝；

20、保温外炉套金属材料制成；

21、耐火绝缘套环状多孔耐火绝缘保温套，环内圈向炉膛也呈多孔状；

22、罐壁；用耐高温不锈钢材料加工而成的；

23、密封线：为增加密封性能在连接法兰上加工出来的；

24、罗栓孔：罗栓连接用；

24-1、罗栓孔：罗栓连接用；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例(即，使用该碳硫高压嵌渗装置收到了好效果的具体实施例)对本实用新型作进一步的描述。

实施例1

取碳、石墨、活性碳中的一种和单质硫粉末按C∶S＝1∶3或20g∶60g重量比，加酒精球磨混合2小时，取出后放入真空干燥箱内90℃烘10小时；在高压嵌渗罐里加入上述混合烘干后的碳和硫粉末后密封，打开压力罐进气和排气阀通氩气挤排空气半小时；关闭排气阀待压力升至0.1兆帕后关闭进气阀，电阻炉开始对高压嵌渗罐加热。当炉温升到200℃时，保持2h；再升温到450℃，保持3h；停止加温，随炉冷却后出炉，研磨过筛，加入导电剂和粘合剂，以重量计其比例为7∶2∶1，制成正极活性材料浆料，涂在0.16mm厚的泡沫镍基体上，烘干碾压至0.6mm裁成40mm宽×150mm长的极片，和0.16mm厚的玻璃纤维非织隔膜以及用铝粉或铝箔、铝合金中一种作为负极活性材料制成的负极卷绕成电蕊装入镀镍钢壳、不锈钢壳或铝壳，再加入有机电解质，封口制成圆柱二次铝电池或AA型圆柱二次铝电池。

实施例2

按与实施例1相同的方法制备，只是将活性碳和硫的重量比例调整为1∶4；增加了硫的高压嵌渗量，提高了正极的比容量。

实施例3

按与实施例1相同的方法制备，只是将碳基和硫的重量比例调整为1∶5；增加了硫的嵌渗量，提高了正极的比容量

实施例4

按与实施例1相同的方法制备，只是使用的是二元碳基，即活性碳及单质硫粉末与石墨一起混和，具体比例以重量计为活性碳∶单质硫粉末∶石墨＝0.5∶5∶0.5。

实施例5

按与实施例1相同的方法制备，只是使用的是二元碳基，即在活性碳及单质硫粉末与石墨一起混和，具体比例以重量计为活性碳∶单质硫粉末∶石墨＝0.8∶5∶0.2。

对比实施例6

取碳、石墨、活性碳中的一种和单质硫粉末按C∶S＝1∶3或20g∶60g重量比，加酒精球磨混合2小时，取出后放入真空干燥箱内90℃烘10小时；存放在钳锅里，置于管式炉里，通氩气挤排空气半小时；然后开始200℃时保持2h；450℃保持3h；停止加温，随炉冷却后出炉，其它步骤与实施例1相同。

硫的嵌渗量与电性能见下表

碳硫比         硫的嵌渗量    放电克容量    放电平台    备注

实施例1        61.94％       323.1mAh/g    1.62V

实施例2        69.52％       359.6mAh/g    1.59V

实施例3        80.68％       417.5mAh/g    1.58V

实施例4        75.47％       341.3mAh/g    1.68V

实施例5        76.30％       364.9mAh/g    1.66V

对比实施例6    40.13％       208.5mAh/g    1.54V

从表中可以看出：

随着碳硫比例的调整，硫的嵌渗量呈上升趋势；

随碳硫比例的调整，硫的嵌渗量上升，放电克容量也都有所上升；

二元碳基嵌渗硫的放电平台要比对比实施例6高出0.12V，要比单元嵌渗硫高出0.08V；

尤其是当将实施例1与对比实施例6相比较时，可以看出：其他条件相同时：高压产生了好的效果，使硫的嵌渗量提高了，放电克容量也提高了，同时也表明使用了该碳硫高压嵌渗装置，确实使硫的嵌渗量提高了，放电克容量也提高了，收到了好的效果。

以下实施例是结合附图和附图标记对本实用新型的形状、构造进行描述。

实施例7

一种二次铝电池碳硫高压嵌渗装置：包括支架或机架1、炉体2、控制箱3、调速电机4、压力表5、安全阀6、传动皮带7、进气管及阀8、排气管及阀9、9-1、连接法兰及螺栓10、温度传感器11、罐体12、前转动轴及轴承13、后转动轴16-1、轴承16-2，

用于支撑炉体2和罐体12的支架或机架1是由钢材焊接成的钢结构件，前、后转动轴13、16-1通过两端的花键与罐体12联结，

其特征在于：

炉体2被水平设置在支架1上，该炉体2是该装置的加热部分，其外形呈圆柱体，中间是空心的炉膛17，其中的加热元件为铁铬铝合金丝，保温材料为硅酸铝耐火纤维、用于放置并加热罐体12的炉膛17是采用碳化硅环型耐火材料制成的管状体；炉膛17的两端用耐高温橡胶封住；

罐体12是其底部为半球形结构的罐体，该罐体12被水平地设置在该炉体2的炉膛17内，其右面和左面有前转动轴、轴承13和后转动轴、轴承16-1、16-2，该罐体12被设置成可以稳定转动的翻滚压力管式炉，其右面伸出炉体2的部分还设有用于开启和密封罐体12的左、右连接法兰10，该连接法兰10上设有与调速电机4连接的部件，并通过传动皮带7与调速电机4和控制箱3连接，该法兰上设有2个小孔，分别插入测压管和用于放置安全伐的管，罐体12是全部由不锈钢钢焊接制成的，该罐体耐压达2.0-3.0兆帕，安全阀开启压力为1.6-2.0兆帕；

用于设置加热程序和控制炉温及转速的控制箱3是由PLC程序控制、温度表、转速表和功能按钮构成的。

实施例8

如以上所述的二次铝电池碳硫高压嵌渗装置，其特征在于：上述炉体2是由金属外炉壁、金属多孔发热内炉壁18、炉膛17、环状多孔耐火绝缘套21(或简称耐火绝缘套21)、保温外炉套20、加热电阻丝19和测温孔15组成。

实施例9

如以上所述的二次铝电池碳硫高压嵌渗装置，其特征在于：上述罐体12包括罐壁22、连接法兰10、10-1、封头14和罐盖，在封头14的中心点设置前转动轴、轴承13，连接法兰10、10-1上设置罗栓孔24、24-1和密封线23，该罐体耐压达2.5兆帕，安全阀开启压力为1.8兆帕。

实施例10

如以上所述的二次铝电池碳硫高压嵌渗装置，其特征在于：罐盖上设置进气管8-1，在进气管8-1上安装进气阀8-2和压力表5，罐盖上设有罗栓孔24、24-1，在该盖的中心点安装后转动轴16-1，轴上设置轴承16-2，在另一管子上设置安全阀6和排气阀9-1。

应当说明的是，以上实施例只是为了对本实用新型作进一步的详细的描述，不是用来对所述的权利要求进行限定的，在不脱离本实用新型的构思和精神的范围内，本领域普通技术人员可以进行各种改进或改变，仍然属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种二次铝电池碳硫高压嵌渗装置：包括支架或机架(1)、炉体(2)、控制箱(3)、调速电机(4)、压力表(5)、安全阀(6)、传动皮带(7)、进气管及阀(8)、排气管及阀(9、9-1)、连接法兰及螺栓(10)、温度传感器(11)、罐体(12)、前转动轴及轴承(13)、后转动轴(16-1)、轴承(16-2)，

用于支撑炉体(2)和罐体(12)的支架或机架(1)是由钢材焊接成的钢结构件，前、后转动轴(13)、(16-1)通过两端的花键与罐体(12)联结，

其特征在于：

炉体(2)被水平设置在支架或机架(1)上，该炉体(2)是该装置的加热部分，其外形呈圆柱体，中间是空心的炉膛(17)，其中的加热元件为铁铬铝合金丝，保温材料为硅酸铝耐火纤维、用于放置并加热罐体(12)的炉膛(17)是采用碳化硅环型耐火材料制成的管状体；炉膛(17)的两端用耐高温橡胶封住；

罐体(12)是其底部为半球形结构的罐体，该罐体(12)被水平地设置在该炉体(2)的炉膛(17)内，其右面和左面有前转动轴、轴承(13)和后转动轴、轴承(16-1)、(16-2)，该罐体(12)被设置成可以稳定转动的翻滚压力管式炉，其右面伸出炉体(2)的部分还设有用于开启和密封罐体(12)的左、右连接法兰(10)，该连接法兰(10)上设有与调速电机(4)连接的部件，并通过传动皮带(7)与调速电机(4)和控制箱(3)连接，连接法兰(10)上设有2个小孔，分别插入测压管和用于放置安全伐的管，罐体(12)是全部由不锈钢钢焊接制成的，该罐体耐压达2.0-3.0兆帕，安全阀开启压力为1.6-2.0兆帕；

用于设置加热程序和控制炉温及转速的控制箱(3)是由PLC程序控制、温度表、转速表和功能按钮构成的。

2.如权利要求1所述的二次铝电池碳硫高压嵌渗装置，其特征在于：上述炉体(2)是由金属外炉壁、金属多孔发热内炉壁(18)、炉膛(17)、环状多孔耐火绝缘套(21)、保温外炉套(20)、加热电阻丝(19)和测温孔(15)组成。

3.如权利要求1所述的二次铝电池碳硫高压嵌渗装置，其特征在于：上述罐体(12)包括罐壁(22)、连接法兰(10、10-1)、封头(14)和罐盖，在封头(14)的中心点设置前转动轴(13)，轴上设置轴承，连接法兰(10、10-1)上设置罗栓孔(24、24-1)和密封线(23)，该罐体耐压达2.5兆帕，安全阀开启压力为1.8兆帕。

4.如权利要求3所述的二次铝电池碳硫高压嵌渗装置，其特征在于：罐盖上设置进气管(8-1)，在进气管(8-1)上安装进气阀(8-2)和压力表(5)，罐盖上设有罗栓孔(24、24-1)，在该盖的中心点安装后转动轴(16-1)，轴上设置轴承(16-2)，在另一管子上设置安全阀(6)和排气阀(9-1)。

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