一種電池硅基類負(fù)極材料制備罐和制備爐窯及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電池材料冶煉裝置，尤其涉及一種電池硅基類負(fù)極材料制備罐和制備爐窯及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰電池具有體積小、容量大、壽命長、無記憶性、可以反復(fù)充放電等優(yōu)點，被廣泛運用在通訊設(shè)備、IT數(shù)碼、電動工具等行業(yè)。隨著國家大力推廣新能源電動汽車，鋰電池也越來越多的被運用在電動汽車上。目前電動汽車的制造瓶頸就在鋰電池環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)存在著成本高、續(xù)航里程短、充電不易、充電時間長等問題。從技術(shù)角度來看，鋰電池的關(guān)鍵在電池材料，電池材料的關(guān)鍵在負(fù)極，目前已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化的負(fù)極材料為碳負(fù)極類，細(xì)分為天然石墨、人造石墨、中間相三小類，其最大比容量在340?380mAh/g范圍，很難滿足電動汽車行駛里程的需求。而硅和硅基類負(fù)極材料的比容量高達(dá)4000mAh/g，是碳素材料的10倍，因此研宄開發(fā)硅和硅基類負(fù)極材料大有前途，迫在眉睫。S1是一種較好的電池負(fù)極材料，國內(nèi)常用的制備方法是:將S12含量為99.5%的二氧化硅粉末和煤瀝青粉末混合，C/S1 2混合摩爾比為2.0，混合物經(jīng)減壓加熱處理，其溫度為1600°C，壓力為1.013 kPa，經(jīng)還原反應(yīng)生成S1蒸氣，通入氬氣，將S1蒸氣凝結(jié)輸送，制成0.1 μ m以下的一氧化娃粉末。這種方法需要極高溫度，配套設(shè)施條件苛刻，現(xiàn)實中成本費用極高，制取較難。目前，國內(nèi)有些地方在實驗室內(nèi)利用電加熱方式加熱到1350°C，壓力為IPa?5 Pa,可以少量制備，但其囿于設(shè)備體積和電加熱布置的局限，產(chǎn)量很小，而且不穩(wěn)定，成本極高，產(chǎn)品基本用于研宄開發(fā)，其制備方式很難推廣到規(guī)?；a(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提出一種電池硅基類負(fù)極材料制備罐和制備爐窯及制備方法的技術(shù)方案；采用新式爐窯，能夠規(guī)?；a(chǎn)S1，實現(xiàn)制備低成本、高品質(zhì)、穩(wěn)定可靠、可自動化連續(xù)生產(chǎn)。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種電池硅基類負(fù)極材料制備罐，包括加熱罐體、設(shè)置在加熱罐體之上的操作罐體、設(shè)置在加熱罐體之下的排渣口、芯筒、結(jié)晶器，結(jié)晶冷卻水套；所述加熱罐體和操作罐體是真空罐體，所述芯筒設(shè)置在所述加熱罐體內(nèi)，結(jié)晶器設(shè)置所述操作罐體中，結(jié)晶器位于芯筒的上方，環(huán)繞操作罐體設(shè)有所述結(jié)晶冷卻水套，在操作罐體上設(shè)有真空管道接口和裝料口 ；所述加熱罐體和操作罐體的真空度為IPa?5Pa，所述加熱罐體采用添加了稀土元素的耐熱鋼離心鑄造而成，在加熱罐體的外壁噴涂耐高溫防腐陶瓷類涂層，加熱罐體是耐熱溫度不低于1400°C的罐體；在芯筒與結(jié)晶器之間設(shè)有擋火板，在操作罐體上設(shè)有保護(hù)氣體接口。
[0005]更進(jìn)一步，所述結(jié)晶冷卻水套是通入不同水溫的雙回路冷卻水套；結(jié)晶冷卻水套上設(shè)有第一冷卻水進(jìn)口、第一冷卻水出口和第二冷卻水進(jìn)口、第二冷卻水出口，所述第一冷卻水進(jìn)口和第一冷卻水出口連通結(jié)晶冷卻水套的內(nèi)腔，所述第二冷卻水進(jìn)口和第二冷卻水出口連通一條設(shè)置在結(jié)晶冷卻水套的內(nèi)腔的冷卻水管路。
[0006]更進(jìn)一步，所述加熱罐體材料是Gr25Ni20耐熱鋼，在加熱罐體的材料中添加有總含量不高于0.01%的鈰或鑭；加熱罐體外壁的陶瓷類涂層是采用等離子法噴涂的納米級氧化鋯涂層。
[0007]更進(jìn)一步，所述擋火板采用莫來石質(zhì)澆注料砌制而成，在擋火板內(nèi)部設(shè)有耐熱鋼骨架，擋火板與罐體之間留有環(huán)形氣體溢散通道。
[0008]一種電池硅基類負(fù)極材料制備爐窯，所述制備爐窯是采用權(quán)利要求1所述的電池硅基類負(fù)極材料制備罐進(jìn)行硅基類負(fù)極材料制備的爐窯，所述制備爐窯設(shè)有爐膛、燃燒器，并與制備罐相結(jié)合布置，對制備罐進(jìn)行加熱促其內(nèi)部物料充分反應(yīng)同時滿足制備罐內(nèi)裝料及卸渣等操作工藝；按照生產(chǎn)工藝操作的功用在爐體垂直方向上劃分為三層區(qū)域進(jìn)行布局，中部區(qū)域為燃燒控制區(qū)域，上部區(qū)域是裝料出料以及真空冷卻等工藝操作區(qū)域，下部區(qū)域是卸渣清理區(qū)域，每層區(qū)域為獨立空間但可相互連通；
所述爐膛是制備爐窯的燃燒控制區(qū)，爐膛上方的爐頂以上的區(qū)域是進(jìn)行裝料、出料、抽取真空、冷卻的所述操作區(qū)，爐膛下方的爐底以下的區(qū)域是所述卸渣清理區(qū)；在所述制備爐窯中設(shè)有多個所述制備罐，制備罐豎直設(shè)置；制備罐的所述加熱罐體位于制備爐窯的爐膛中，處于所述燃燒控制區(qū)；所述操作罐體從制備爐窯的上部伸出爐膛，處于所述操作區(qū)；所述排渣口從制備爐窯的下部伸出爐膛，處于所述卸渣清理區(qū)；
所述制備罐的真空管道接口連接真空管道，所述制備罐的結(jié)晶冷卻水套連接冷卻水管道，所述制備罐的保護(hù)氣體接口連接設(shè)有閥門的保護(hù)氣體管道。
[0009]更進(jìn)一步，所述制備爐窯設(shè)有長方體的爐膛，在制備爐窯寬度方向的兩側(cè)壁上設(shè)有所述燃燒器；
所述燃燒器是HTAC燃燒器，有多個燃燒器在制備爐窯的兩側(cè)壁上兩兩對應(yīng)設(shè)置，每個燃燒器的燒嘴設(shè)有六個高溫空氣噴口和兩個燃?xì)鈬娍?，六個高溫空氣噴口為2 X 3矩形布置，高溫空氣噴口設(shè)有向爐膛內(nèi)開放的擴(kuò)散角，兩個燃?xì)鈬娍谖挥诟邷乜諝鈬娍诘木又形恢?；爐墻內(nèi)的燃?xì)馔ǖ啦捎醚趸X陶瓷管。
[0010]更進(jìn)一步，所述真空管道設(shè)置有預(yù)抽真空管道和主抽真空管道，預(yù)抽真空管道和主抽真空管道分別連接預(yù)抽真空機(jī)組和主抽真空機(jī)組；每個制備罐的真空管道接口通過真空控制閥門分別與主抽真空管道和預(yù)抽真空管道相連。
[0011]更進(jìn)一步，所述連接制備罐上結(jié)晶冷卻水套的冷卻水管道是雙回路冷卻水管道，所述雙回路冷卻水管道包括第一冷卻水回路和第二冷卻水回路。
[0012]一種電池硅基類負(fù)極材料制備方法，所述方法是采用權(quán)利要求5所述的一種電池硅基類負(fù)極材料制備爐窯進(jìn)行硅基類負(fù)極材料制備的方法；其特征在于，所述方法的步驟包括:
a.對原料進(jìn)行磨碎處理，原料中包括S12和Si，S12和Si的摩爾比為1:1，磨碎處理后的原料粒度等級高于100目；
b.對由步驟a處理后的原料進(jìn)行充分混合，將混合后的原料壓制成杏核形狀；
c.加熱制備爐窯，輪換燃燒在制備爐窯的兩側(cè)壁上兩對應(yīng)的燃燒器，使排出爐膛的煙氣溫度低于150°C，使制備爐窯的爐膛溫度穩(wěn)定保持在1200°C?1400°C ；
d.打開制備罐的裝料口，放入芯筒； e.將原料裝入制備罐中，使原料位于所述加熱罐體與芯筒之間的空間中；
f.將擋火板和結(jié)晶器放入制備罐中；
g.關(guān)閉制備罐的裝料口，使制備罐處于密封狀態(tài)；
h.操作真空控制閥門使預(yù)抽真空管道連通操作罐體，當(dāng)操作罐體和加熱罐體內(nèi)的真空壓力低于IkPa之后，操作真空控制閥門使主抽真空管道連通操作罐體，使操作罐體和加熱罐體內(nèi)的真空壓力達(dá)到并保持在IPa?5Pa ；
1.使第一冷卻水回路通入45°C?55°C的冷卻水，連續(xù)運行；在冷卻作用下，制備罐內(nèi)物質(zhì)反應(yīng)后生成的氣態(tài)S1在結(jié)晶器內(nèi)壁冷凝成固態(tài)形成S1結(jié)晶體；
j.當(dāng)制備罐內(nèi)的物質(zhì)反應(yīng)完成后，切斷操作罐體與真空管道的連接，緩慢開啟保護(hù)氣體管道的閥門，向操作罐體內(nèi)通入保護(hù)氣體，同時使第二冷卻水回路持續(xù)通入20°C?30°C的冷卻水；
k.打開制備罐的裝料口，取出結(jié)晶器。
[0013]更進(jìn)一步:在步驟b中，將混合后的原料壓制成粒度為15mm?40_的杏核形狀；在步驟c中，使制備爐窯的爐膛溫度穩(wěn)定保持在1350°C?1400°C;在步驟j中，向操作罐體內(nèi)通入的保護(hù)氣體包括常溫常壓的氮氣或其他惰性氣體。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:實現(xiàn)了在高溫、高真空環(huán)境下規(guī)?；苽銼1，制備低成本、穩(wěn)定可靠，制備成品品質(zhì)尚，可進(jìn)彳丁自動化連續(xù)生廣。
[0015]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作一詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明電池硅基類負(fù)極材料制備罐結(jié)構(gòu)圖；
圖2是本發(fā)明電池硅基類負(fù)極材料制備爐窯剖面圖；
圖3是本發(fā)明電池硅基類負(fù)極材料制備爐窯的燃燒器布置圖；
圖4是本發(fā)明電池硅基類負(fù)極材料制備爐窯的真空管道示意圖，圖中僅畫出連接一行制備罐的真空管道，其余各行真空管道結(jié)構(gòu)相同；
圖5是本發(fā)明電池硅基類負(fù)極材料制備爐窯的冷卻水管道和保護(hù)氣體管道示意圖，圖中僅畫出連接一行制備罐的冷卻水管道和氮氣，其余各行冷卻水管道和保護(hù)氣體