基于磷酸鐵鋰正極材料燒結(jié)的自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

陳康

摘要：鋰離子電池的高性能離不開其材料的燒結(jié)工藝，其中磷酸鐵鋰正極材料是近年來的研究熱點(diǎn)之一。本文從磷酸鐵鋰（LFP）正極材料的燒結(jié)工藝出發(fā)，研究設(shè)計(jì)了一條輔助六列輥道爐燒結(jié)磷酸鐵鋰的自動(dòng)化生產(chǎn)線，介紹了其傳送線體、上料工位、小換向工位、大換向工位、卸料工位和取/放蓋工位等關(guān)鍵工位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本自動(dòng)化生產(chǎn)線可以實(shí)現(xiàn)匣缽攜熟料出爐后，經(jīng)自動(dòng)卸料、上生料、匣缽運(yùn)輸至輥道爐進(jìn)口的自動(dòng)循環(huán)線功能，極大地提高了生產(chǎn)效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池 磷酸鐵鋰 輥道爐 自動(dòng)化生產(chǎn)線

引言

鋰離子電池是一種二次可充電電池，主要由正極材料、電解質(zhì)和負(fù)極材料組成。其中正極材料是影響其性能和價(jià)格的主要因素，并且正極材料在鋰離子電池中所占比例較高，因此可以說，鋰離子電池正極材料的發(fā)展推動(dòng)了鋰離子電池的發(fā)展[1-3]。鋰離子電池正極材料經(jīng)過幾十年的發(fā)展，形成了由鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰以及三元材料為主流的四種正極材料[4]。雖然每種正極材料都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但是，其中磷酸鐵鋰正極材料以其較高的安全性、穩(wěn)定性、價(jià)格低廉，并且具有更高的環(huán)保價(jià)值[5，6]，被國內(nèi)外很多鋰電池生產(chǎn)商所青睞，并且被公認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的鋰離子電池正極材料。

在鋰離子電池實(shí)際生產(chǎn)過程中使用的磷酸鐵鋰正極材料，都是需要預(yù)先通過專用的燒結(jié)設(shè)備進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)工藝處理后才能使用。但是目前國內(nèi)的磷酸鐵鋰材料燒結(jié)設(shè)備仍以國外進(jìn)口或合資企業(yè)制造為主，不僅制造成本高，還因?yàn)槿鄙傧嗯涮椎淖詣?dòng)化生產(chǎn)線，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低，產(chǎn)能達(dá)不到預(yù)期效果，并且沒有一套成熟完善的自動(dòng)生產(chǎn)線配合燒結(jié)設(shè)備，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)能[7，8]。因此為了解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種輔助六列輥道爐燒結(jié)磷酸鐵鋰材料的自動(dòng)化生產(chǎn)線，旨在提高磷酸鐵鋰材料燒結(jié)工藝的自動(dòng)化與智能化，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)能，增強(qiáng)產(chǎn)品國際競爭力。

1 自動(dòng)化生產(chǎn)線總體方案設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

磷酸鐵鋰材料燒結(jié)過程概括來說可分為進(jìn)料-燒結(jié)-取料三個(gè)步驟，其中進(jìn)料和取料過程影響著材料整個(gè)燒結(jié)過程的效率并最終決定產(chǎn)能。如圖1所示，本文根據(jù)六列輥道爐燒結(jié)磷酸鐵鋰材料的燒結(jié)工藝，設(shè)計(jì)了一條自動(dòng)化與智能化較高的自動(dòng)生產(chǎn)線來提高材料的燒結(jié)效率與產(chǎn)能。整條自動(dòng)線按照功能不同可以分為輸送線體、缽蓋清掃、取放缽蓋、卸料、匣缽清掃、上料、振平和大小換向等工位。其中上料和卸料工位設(shè)計(jì)為雙工位，相比于傳統(tǒng)的單工位，雙工位可以極大的提高生產(chǎn)效率。

1.2工作原理

首先，通過上料工位將磷酸鐵鋰生料裝到石墨匣缽內(nèi)，等匣缽裝滿料后，輸送線體將匣缽傳送到放缽蓋工位。與此同時(shí)，取缽蓋工位通過缽蓋輸送線體將缽蓋輸送到放缽蓋工位，放缽蓋工位將傳送過來的缽蓋放在裝滿生料的匣缽上蓋嚴(yán)，通過輸送線體和大小換向工位將生料送到輥道爐中燒結(jié)，完成生料的進(jìn)料工作。

然后，生料燒成熟料后，先通過兩個(gè)出口大換向2將裝滿熟料的匣缽傳送到輸送線體上，輸送線體經(jīng)過小換向3將熟料傳輸?shù)嚼徤w清掃工位，缽蓋清掃工位將匣缽缽蓋上的粉塵清理干凈，方便取蓋工位吸取缽蓋。當(dāng)裝滿熟料的匣缽傳輸?shù)饺±徤w工位時(shí)，取缽蓋工位會(huì)將匣缽上的缽蓋取下并通過缽蓋輸送線體將缽蓋傳輸?shù)椒爬徤w工位，此時(shí)，被取下缽蓋的匣缽隨著輸送線體傳輸?shù)诫p卸料工位。卸料工位通過翻轉(zhuǎn)方式將匣缽內(nèi)的熟料傾倒在容器內(nèi)并將空匣缽?fù)ㄟ^輸送線體傳輸?shù)较焕徢鍜吖の?。匣缽清掃工位通過氣吹抽塵方式將匣缽內(nèi)殘余的熟料清理回收，輸送線體將清理干凈的匣缽傳輸?shù)缴狭瞎の?，完成熟料的收取工作?/p>

最后，當(dāng)空的匣缽傳輸?shù)缴狭瞎の粫r(shí)，磷酸鐵鋰材料從生料進(jìn)料到燒結(jié)成熟料收取的整改過程就完成了，接下來將會(huì)繼續(xù)按照這個(gè)自動(dòng)循環(huán)線源源不斷地生產(chǎn)磷酸鐵鋰熟料。

2 自動(dòng)化生產(chǎn)線工位設(shè)計(jì)

如表1所示，本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)化生產(chǎn)線主要由若干輸送線體、4臺(tái)大換向、2臺(tái)小換向、1套取/放缽蓋、2臺(tái)上料、2臺(tái)卸料、1臺(tái)振平、1臺(tái)缽蓋清掃和1臺(tái)匣缽清掃組成，文主要從輸送線體、上料、卸料、振平、匣缽清掃、取放缽蓋工位進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 輸送線體設(shè)計(jì)

輸送線體是整個(gè)自動(dòng)生產(chǎn)線的基礎(chǔ)，用于實(shí)現(xiàn)匣缽的過渡傳輸和緩存功能，如圖2所示，為本文所設(shè)計(jì)的輸送線體結(jié)構(gòu)示意圖。在整體設(shè)計(jì)過程中，需要避免使用銅鋅材料，其中，腔體組件的結(jié)構(gòu)尺寸主要根據(jù)匣缽的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮到粉塵的收集與清理，腔體底部設(shè)計(jì)成錐形帶接灰盤形式。在腔體側(cè)邊設(shè)計(jì)兩個(gè)密封門，方便取放匣缽，腔體上門開兩個(gè)頂部觀察窗，有利于現(xiàn)場人員隨時(shí)查看線體內(nèi)匣缽的狀況。

采用金屬軸外穿陶瓷輥輪的傳輸形式，與匣缽直接接觸部分均采用非金屬材質(zhì)，通過750W的伺服電機(jī)和鏈條驅(qū)動(dòng)托輥運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)匣缽在輸送線體內(nèi)傳送。由于從窯爐出口至卸料工位需要充保護(hù)氣體防止物料吸水及協(xié)助物料降溫，所以設(shè)計(jì)時(shí)在腔體另一側(cè)開一個(gè)充氣孔并焊接上密封組件方便充保護(hù)氣體。

2.2 上料工位設(shè)計(jì)

上料工位用于實(shí)現(xiàn)生料的上料功能。本工位采用雙上料結(jié)構(gòu)，主要由料倉螺旋組件、密封腔體組件、外框架組件、送缽組件、上料除塵管路和真空氣路組成，具體結(jié)構(gòu)如下圖3所示。

上料料倉設(shè)計(jì)成錐形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝垂直送料螺桿，便于生料順暢的隨著送料螺桿輸送至匣缽內(nèi)。為了保證生料裝調(diào)的平整性，降低粉塵，并盡可能多的裝填生料，設(shè)計(jì)時(shí)在生料裝填前加了一個(gè)脫氣裝置，利用負(fù)壓將生料中的空氣抽走，使生料下落裝填時(shí)更加緊實(shí)，減少粉塵揚(yáng)起。匣缽中裝填的生料重量由稱重模塊定量，稱重精度為±150g，稱重范圍為5-18kg，實(shí)際裝缽量以實(shí)際松裝密度為準(zhǔn)。

生料在通過料倉和送料組件裝填進(jìn)匣缽內(nèi)的過程中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)粉塵揚(yáng)起，如果不進(jìn)行回收處理，不僅會(huì)造成環(huán)境污染，還會(huì)生料的浪費(fèi)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)增加了一個(gè)除塵系統(tǒng)，通過除塵器將揚(yáng)起的生料粉塵全部吸走返投到原料倉，大大減少了污染并降低了成本。

2.3 翻轉(zhuǎn)卸料工位設(shè)計(jì)

卸料工位是用于自動(dòng)線中卸料操作，該工位主要將帶料匣缽輸送至翻轉(zhuǎn)卸料倉，通過轉(zhuǎn)動(dòng)組件完成卸料，并將空匣缽輸送至輸送線體。本工位采用雙卸料結(jié)構(gòu)，主要由框架組件、氣控盒、密封腔組件、懸臂箱、轉(zhuǎn)動(dòng)組件和卸料斗組件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在進(jìn)行卸料工位設(shè)計(jì)時(shí)，要注意密封防護(hù)，整個(gè)密封腔組件采用雙門密封，帶防塵功能，所有與物料接觸部分為非金屬材質(zhì)或SUS304涂層PTFE。傳動(dòng)方式為電機(jī)傳動(dòng)，利用電機(jī)帶動(dòng)托輥來輸送匣缽。通過翻轉(zhuǎn)主軸、托輥組件和兩側(cè)轉(zhuǎn)盤等共同組成轉(zhuǎn)動(dòng)組件，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)卸料。

卸料漏斗的倒料倉采用不銹鋼304制作，里面進(jìn)行特氟龍噴涂，厚度為0.1mm。與上料工位相同，在進(jìn)行翻轉(zhuǎn)卸料時(shí)，磷酸鐵鋰熟料也會(huì)揚(yáng)起粉塵，所以設(shè)計(jì)時(shí)加上除塵裝置，罐體材質(zhì)SUS304，內(nèi)部噴涂PTFE，方便將熟料粉塵吸走輸送至卸料倉內(nèi)進(jìn)行回收。

2.4 振平工位設(shè)計(jì)

振平工位設(shè)計(jì)用于將上料工位裝填的匣缽內(nèi)的物料振平，使其保持良好的密實(shí)度。主要由腔體框架組件、密封門組件、傳動(dòng)托輥組件、導(dǎo)向輪組件、壓緊抽塵組件和電機(jī)組件等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

選用兩個(gè)氣動(dòng)振動(dòng)器GT16作為振動(dòng)源，振動(dòng)器安裝在振平頂升組件上，與匣缽的下表面接觸，振平頂升組件上裝有ALJ彈簧減振器。振平工位工作時(shí)，首先振平頂升組件通過氣缸將匣缽頂起與壓緊抽塵組件緊密連接，然后振動(dòng)器工作將匣缽內(nèi)的生料振平，最后除塵器工作將振動(dòng)揚(yáng)起的粉塵抽走回收，完成匣缽內(nèi)生料的振平工作。

2.5 匣缽清掃工位設(shè)計(jì)

此工位設(shè)計(jì)用于卸料后對匣缽內(nèi)壁進(jìn)行清掃處理。主要由氣吹組件、腔體組件、底框架組件、阻擋組件、頂升組件、氣罐組件、氣控盒組件和電機(jī)組件等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

匣缽清掃工位采用碳鋼噴塑框架，整體做密封防塵保護(hù)，清掃方式采用高壓空氣吹料，同時(shí)利用除塵裝置將吹起的熟料粉塵抽走返投到翻轉(zhuǎn)卸料的倒料倉內(nèi)，與翻轉(zhuǎn)卸料工位共用一個(gè)除塵器。

2.6 取放缽蓋工位設(shè)計(jì)

此工位用于實(shí)現(xiàn)匣缽上自動(dòng)取放缽蓋的功能，主要由外框組件、密封門組件、抽真空軟管、橫向輸送組件、阻擋歸正組件、傳動(dòng)托輥組件等組成，具體結(jié)構(gòu)如下圖7所示。

取缽蓋工位設(shè)計(jì)在卸料工位之前，目的是將從輥道爐中傳送出來裝滿生料的匣缽蓋板取下，方便卸料工位進(jìn)行卸料;放缽蓋工位設(shè)計(jì)在上料工位之后，方便匣缽從上料工位裝滿料后，及時(shí)將蓋板蓋到匣缽上，并送到輥道爐中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。

取放缽蓋工位設(shè)計(jì)時(shí)最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要點(diǎn)就是取放缽蓋的方式，傳統(tǒng)的取放方式主要是吸盤吸取和機(jī)械夾爪抓取。其中，吸盤吸取可靠性不高，當(dāng)缽蓋沾上粉塵時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)吸取不牢和掉缽現(xiàn)象，而機(jī)械夾爪雖然可靠性較高，但是其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，占用空間大，所以這兩種方式都不選用。綜合考慮，本文選用負(fù)壓吸取方式，吸缽蓋時(shí)，通過高壓風(fēng)機(jī)和真空軟管提供負(fù)壓環(huán)境吸取缽蓋，放缽蓋時(shí)，通過空氣氣吹將缽蓋放下。

3 總結(jié)

本文從磷酸鐵鋰正極材料的燒結(jié)工藝出發(fā)，設(shè)計(jì)了一條自動(dòng)化生產(chǎn)線輔助磷酸鐵鋰材料進(jìn)行燒結(jié)，主要從輸送線體、取放缽蓋、振平、卸料、匣缽清掃和上料工位進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化生產(chǎn)線具有穩(wěn)定、高效、連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，可以顯著提高磷酸鐵鋰熟料的生產(chǎn)效率和產(chǎn)能，減少人力出現(xiàn)的失誤，經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，本自動(dòng)線可以完全滿足企業(yè)生產(chǎn)要求。

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