鋰電材料燒結(jié)設(shè)備的應(yīng)用研究

龍 純， 王建業(yè)， 王世剛， 瞿海斌， 曾帥強

（湖南爍科熱工智能裝備有限公司， 湖南 長沙 410111）

引言

隨著新能源汽車市場的快速增長，加上手機、電腦等智能終端的增長需求，鋰電池等動力電池和儲能電池得到高速發(fā)展。鋰電正極和負極材料作為鋰電池的主體材料（見表1 和表2），近年來的年出貨量飛速增長，鋰電材料生產(chǎn)設(shè)備也相應(yīng)得到了快速發(fā)展。但由于生產(chǎn)廠家眾多，競爭激烈，且技術(shù)更新快，在產(chǎn)能、節(jié)能和效率方面，對生產(chǎn)設(shè)備提出了更高的要求，這就要求設(shè)備廠商不斷提供新設(shè)備以滿足新技術(shù)要求。

表1 2017 年和2021 年正極材料國內(nèi)年出貨量對比表萬t

表2 2016 年和2020 年負極材料國內(nèi)年出貨量對比表萬t

1 現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)

正極三元材料的燒成是一個氧化過程，需要大量O2，而石墨負極的燒成需與O2隔絕，加入N2或Ar 等保護氣體，現(xiàn)在大部分的正極材料（如LiFePO4、三元NCM、NCA）以及負極材料（天然石墨、人造石墨等）均采用輥道窯和推板窯燒結(jié)，燒結(jié)過程用匣缽裝著物料，匣缽會造成熱量損失（推板窯還有推板的熱量損失），且匣缽上層物料和下層物料的氣氛條件和溫度條件都不相同，產(chǎn)品性能可能會受一定影響，同時實現(xiàn)自動上下料難度大、成本高。隨著產(chǎn)能不斷擴大，設(shè)備變得更大、更長，推板窯已不能滿足使用要求。而回轉(zhuǎn)爐具有產(chǎn)量大，能耗低，動態(tài)燒結(jié)，物料受熱均勻，自動化程度高等特點，很多鋰電材料廠家在尋求回轉(zhuǎn)爐替代推板窯甚至輥道窯的可能。三元等鋰電原材料具有酸性或堿性，有的燒結(jié)過程會產(chǎn)生NH3、Cl2等腐蝕氣體，采用非金屬內(nèi)襯可以耐腐蝕，與物料摩擦不會產(chǎn)生磁性物質(zhì)，在小型實驗回轉(zhuǎn)爐中使用整體非金屬內(nèi)筒（如石英、陶瓷等）進行燒結(jié)。部分設(shè)備廠商研制出內(nèi)加熱式回轉(zhuǎn)爐，但由于價格高，還存在技術(shù)短板，沒能在大生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

目前，空氣氛回轉(zhuǎn)爐在腐蝕性相對小的鋰源（如Li2CO3）和正極材料前驅(qū)體（如Co3O4）的燒結(jié)中廣泛應(yīng)用，而負極材料的燒結(jié)大多需要在保護氣體（N2或Ar等）中進行，有的還需要通入C2H2、CH4等反應(yīng)氣體。如果采用回轉(zhuǎn)爐進行燒結(jié)，對爐管兩端密封性要求較高。湖南爍科熱工智能裝備有限公司開發(fā)的全自動密封回轉(zhuǎn)爐采用端面石墨環(huán)密封或多種結(jié)構(gòu)組合密封，爐內(nèi)氧含量（質(zhì)量分數(shù)）可達100×10-6以內(nèi)，在硅碳和硅氧負極材料燒結(jié)中試生產(chǎn)，如圖1 所示。

2 現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)壁壘

大多鋰電材料生產(chǎn)廠家希望用回轉(zhuǎn)爐替代推板窯的輥道窯，但采用回轉(zhuǎn)爐燒結(jié)鋰電材料，目前還存在技術(shù)難點有待解決。

2.1 內(nèi)襯材料及鑲嵌技術(shù)

為了增強爐管內(nèi)壁的耐腐蝕和耐磨能力，有設(shè)備廠家嘗試在內(nèi)壁鑲嵌非金屬內(nèi)襯（如陶瓷等）。但增加了內(nèi)襯仍使用外部加熱方式，熱量損失大。內(nèi)外壁膨脹量差別大，容易造成內(nèi)襯脫落、溫度控制誤差大、爐內(nèi)溫度達不到要求等問題。

2.2 內(nèi)加熱技術(shù)

內(nèi)襯內(nèi)保溫及內(nèi)加熱式回轉(zhuǎn)窯成為了新的發(fā)展方向，目前有設(shè)備廠商研制了內(nèi)襯內(nèi)加熱回轉(zhuǎn)爐，采用內(nèi)壁打孔穿電熱絲，會被非金屬內(nèi)襯形成熱隔阻。由于還存在內(nèi)襯材料容易開裂脫落、整體爐內(nèi)襯膨脹收縮縫問題以及內(nèi)加熱元件的安裝、連接、維護、維修等問題，鋰電材料生產(chǎn)廠家還未批量生產(chǎn)應(yīng)用。

3 新設(shè)備的研制

3.1 爐體內(nèi)襯材料及安裝技術(shù)

1）內(nèi)襯材料須具備耐酸堿腐蝕、耐高溫穩(wěn)定性等性能，相比其他材料，陶瓷具有耐高溫、耐腐蝕等特點，但是陶瓷易碎，抗震動擊打能力差，且不易安裝。因此，現(xiàn)在有設(shè)備廠商聯(lián)合陶瓷廠家研發(fā)新型復合陶瓷材料，取得了一定的進展，但仍未大量應(yīng)用，效果有待驗證。

2）安裝技術(shù)也各不相同，本設(shè)備保溫材料采用模塊化，內(nèi)襯采用片狀復合陶瓷，設(shè)置有安裝卡柱，采用沿長度方向插入式安裝的方法，這樣安裝相對方便，且內(nèi)層溫高，膨脹系數(shù)小，外層溫度低，膨脹系數(shù)大，內(nèi)外整體膨脹量相差不大。因此，在安裝時以內(nèi)襯的膨脹量為主要考慮因素，如圖2 所示。

3.2 電內(nèi)加熱技術(shù)

內(nèi)加熱在大型水泥、礦山、石灰窯中應(yīng)用廣泛，但由于是采用煤粉或燃氣加熱，不宜在鋰電材料燒結(jié)中應(yīng)用。這里主要介紹電內(nèi)加熱，其技術(shù)難點是加熱元件的布置和安裝，另外就是大功率電刷連接內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的加熱元件和外部電源問題。目前內(nèi)加熱有兩種形式，一種是將加熱元件放置在保溫材料中，但會產(chǎn)生維修和更換困難。本設(shè)備采用另一種形式是用支架安裝加熱元件，每兩個支架間安裝加熱元件的多少來控制溫度，同時進行溫度分區(qū)，從每個溫區(qū)爐壁引出熱偶測量溫度，從而控制溫度，形成溫度曲線，保證生產(chǎn)工藝要求。爐體兩端設(shè)置有電極座，加熱元件通過電極電刷與電極座相連，再通過電極座接入電源。如圖3 所示。

3.3 設(shè)備技術(shù)特點

內(nèi)襯內(nèi)加熱內(nèi)保溫式回轉(zhuǎn)爐采用了內(nèi)加熱形式，加熱元件采用硅碳棒或硅鉬棒，外部可加陶瓷套管加以保護，最高溫度可達1 500 ℃。設(shè)備采用支架安裝加熱元件，使加熱元件直接對材料加熱，解決了內(nèi)襯隔熱問題，還增加了內(nèi)襯熱反射，大大降低了能耗。據(jù)推算，同占地面積的在同等材料和工序情況下，回轉(zhuǎn)爐燒結(jié)產(chǎn)能可達輥道窯推板窯的2～3 倍，單位能耗僅為2/3 左右。圖4 為湖南爍科熱工智能裝備有限公司研制的內(nèi)襯內(nèi)加熱內(nèi)保溫式回轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)示意圖。內(nèi)襯直接與保溫材料鑲嵌，解決了內(nèi)襯安裝問題，非金屬內(nèi)襯不會引入磁性物質(zhì)，能滿足鋰電材料生產(chǎn)要求。

4 應(yīng)用前景

隨著鋰電行業(yè)的迅速發(fā)展，鋰電池材料的燒結(jié)設(shè)備將向著節(jié)能、高效和自動化方向發(fā)展。湖南爍科熱工智能裝備有限公司研制的內(nèi)襯內(nèi)加熱內(nèi)保溫式回轉(zhuǎn)爐解決了目前回轉(zhuǎn)爐存在的問題，再配合工藝生產(chǎn)要求，加上回轉(zhuǎn)爐設(shè)備不可替代的獨特優(yōu)勢，相信這種回轉(zhuǎn)爐將會在鋰電材料燒結(jié)中得到廣泛應(yīng)用。