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安然热工:锂电负极高温碳化隧道窑,装备创新助推工艺创新
2022年12月05日 发布 分类:企业专访 点击量:287
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在当前的锂离子电池生产中,石墨类是最常用的负极材料,石墨类负极材料嵌锂有以下特点:①嵌锂电位低且平坦,可以提供高且平稳的工作电压;②嵌锂容量高,LiC6的理论容量为372mAh/g;③与有机溶剂相容性差,易发生溶剂共嵌入,降低嵌锂性能。而石墨类又以人造石墨应用为主流,目前行业普遍采用石油焦、针状焦、沥青焦等原料通过粉碎、造粒、分级、高温石墨化加工等过程制成石墨成品材料。


人造石墨

人造石墨基本的工序流程是一致的,但具体到每家企业的制备工艺,又都会有些许的差异,但常规的人造石墨基本都含有将前期原料混合后碳化,通常是将主要原材料(粉状的煅烧石油焦)中加入沥青作为粘合剂,再加入其余辅料,经过配比的材料混料后低温碳化,再进行高温石墨化的过程,如下图所示。

常规人造石墨制备工序

但近几年来,锂电材料加工行业持续红火,并且工艺技术发展也有了新的突破,正负两极材料提纯技术都在持续发展和革新中,其中负极石墨材料的制备就做出了一定的优化,将碳化和石墨化改善为先采用燃气隧道窑进行预碳化,再进行石墨后,最后包裹一层包覆料,进行最终的高温碳化。

那这种做法有什么好处呢?主要是有助于产能效率、产品纯度品质以及节能环保等方面的全面提升。

对负极材料的预碳化,是在900℃~1100℃的温度下,对石油焦进行隔氧加热,释放沥青烟等挥发性气体,将有效减少8%~15%的杂质成分,使后续进入高温电加热石墨化炉(3000℃)的成分更加纯净,提高了石墨化炉的产品装填量和产能。在后期包裹沥青包覆液再碳化(1300℃高温),不仅仅作为前期的粘合剂,还增加了改性工序,能够进一步修饰石墨材料表面,提高负极材料与电解液的相容性,防止有机溶剂共嵌入、分解,避免石墨结构剥离。


包覆材料石墨“核-壳”结构示意图

所谓的锂电负极高温碳化隧道窑,就是为了这一工艺优化过程而专门开发的新设备,不只是简单增加工序,而是适用于整条产线工艺流程,在建设成本、生产能力、节能、环保和智能化操作等各方面,对原有电加热辊道窑碳化工艺做出全面的改进和替代。

目前国内该工艺改进的推广正稳步进行中,其中首屈一指的热工设备供应商就是小编接下来要介绍的佛山市安然热工机电设备有限公司,这是一家成立于2001年,专注于热工能源燃烧研究及热工炉窑装备研发领域的老牌企业,集团下属三个实体:1.佛山安然窑炉设备有限公司,主要从事工业窑炉工程的设计、生产制作、安装调试交钥匙工程;2. 佛山安然热工机电设备有限公司,主要从事工业炉窑及其燃烧、控制技术、装备的试验、研究开发及批量生产;3. 佛山科若盟热工机电设备有限公司,主要从事热工窑炉机电设备的销售和售后服务工作;

粉体圈一行与安然热工总经理许世安合影

今年6月,安然热工承接的某新能源材料公司的“气氛保护式自焚烧高温碳化隧道窑”系统工程,圆满完成了设计、备货、制作、施工、安装、调试及操作维护技术培训,顺利点火并烘炉,进入了正常生产阶段。这是一座集投入少、产能大、能耗低、零排放等多种优势集于一体的锂电负极材料高温碳化的智能化热工装备。

安然热工气氛保护式自焚烧高温碳化隧道窑现场图

安然热工气氛保护式自焚烧高温碳化隧道窑现场图

安然热工气氛保护式自焚烧高温碳化隧道窑现场图

安然热工气氛保护式自焚烧高温碳化隧道窑现场图

这种锂电负极高温碳化隧道窑主要包含以下技术要点:

1. 锂电负极材料高温碳化技术特点

(1)负极材料挥发份含量高,需要考虑窑内自然和尾气处理;

(2)窑内气氛要求,煅烧的全过程加强氧含量控制和气氛保护,尤其是降温过程;

(3)煅烧温度高,窑内温度在1200-1500℃之间可调;

(4)智能化控制生产线,从温度、压力、气氛三大制度控制到窑车中转、进出窑等全部实现自动化智能化运行;

(5)环保要求:PM、SO2、NOX、沥青烟排放浓度分别不高于10、35、50、10mg/m³。焙烧炉基准氧含量为15%;

(6)制品主要技术指标:比表面积<2.0。

2. 安然热工锂电负极高温碳化隧道窑设计要点

(1)隧道窑温度、气氛、压力三大制度的动态平衡

温度动态控制:以温度关键点为代表对该区域对应的自焚烧烧嘴进行在线空燃线性比例控制,也是安然热工独有的专利技术;

气氛动态控制:在全窑气氛控制方面采用了多项自主知识产权的专利技术,主要有窑炉综合气幕管理、氧化/还原气氛燃烧控制、急冷降温气氛保护控制、缓冷降温气氛保护控制、尾冷降温气氛控制、窑头/窑尾气氛保护控制等;

压力动态控制:压力控制包括窑内零压位控制,确保进排风系统动态平衡,压力的平衡是温度和气氛平衡的基础。

(2)环保达标零排放

由于原料本身含有较多的挥发份和有机物,尾气不处理是无法达到环保排放标准的。设备采用安然独有知识产权的多种专利技术,将煅烧制品挥发出来的可燃废气分组引入隧道窑自身配置的自焚烧烧嘴,进行循环焚烧,实现环保达标零排放。

安然热工气氛保护式自焚烧高温碳化隧道窑现场图

安然热工气氛保护式自焚烧高温碳化隧道窑现场图

(3)气氛保护式急冷系统

由于锂电负极材料需避免氧化,所以不可以采用冷风(空气)降温,因此选用了隧道窑自产的贫氧或外加的无氧保护气体对该段进行降温,为了实现节能,将降温的形式由传统的对急冷段直供冷风,改为贫氧或无氧保护气冷却系统,该系统也是安然热工自行研发独有知识产权的专利技术。

(4)气氛保护式缓冷系统

同样选用了自主知识产权的专利技术:窑炉贫氧或无氧保护气体冷却系统装置。

(5)气氛保护式尾冷系统

锂电负极材料在这个温度阶段仍存在被氧化的风险,所以不可以采用传统的尾冷降温方式,因此仍然选用了安然热工自主知识产权的专利技术,窑炉贫氧或无氧保护气体冷却系统装置。


除此之外,多年来安然不断投入人力物力到工业炉窑热工技术与装备的研发中,获得近四十项国家专利,并推广应用到各行各业的加热、烧成、碳化、热处理等工序。比如广泛应用的专利技术:压力比例燃烧控制成套装备;线性比例燃烧控制成套装备;宽断面窑炉(梭式窑、辊道窑、隧道窑)脉冲+比例燃烧控制窑炉;还原焰窑炉智能化燃烧控制系统;超高温(1860℃)耐火材料(镁质、锆质)烧成窑炉(梭式窑、隧道窑)烧成窑炉;高温辊棒智能化烧成窑炉;金属熔炼分体预热式保温炉和金属热处理炉的燃烧控制成套装备等等。在陶瓷、耐火材料、锂电、玻璃、水泥、金属熔炼保温及其热处理等行业都得到了广泛的应用。

专业的事就交给专业的团队去做,无论是正在飞速发展的新能源行业还是其他稳步向前的行业,工艺技术设备的创新和提升都是迈向高端领域发展的基石,有时候仅仅只是做了微创新,给用户带来的却是成倍的收益,这些都离不开象安然热工这样二十余年如一日,专注于工业窑炉热工技术与装备研究的民族企业做支撑,能向新能源锂电池材料行业进军的告捷,正是公司团队储备有扎实的热工窑炉专业技术功底和多年来对工业炉窑燃烧、控制技术的研发创新和沉淀的实力体现。


粉体圈小吉

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