全自动连续式锂离子电池负极材料的生产设备及方法
【专利摘要】本发明涉及全自动连续式锂离子电池负极材料的生产设备及方法，生产设备内部包括依次连接的加料装置、球形化装置、增压装置、螺旋融合装置和冷却出料装置，球形化装置包括至少一组与传动轴同轴的磨盘，增压装置包括至少一组与传动轴同轴的涡轮片，螺旋融合装置包括与传动轴同轴的输料螺旋，冷却出料装置包括与传动轴同轴的螺旋。本发明将锂离子电池负极材料复杂的表面改性工艺，在前期造粒阶段同步完成，减少了后续的表面改性的生产工艺，采用机械化学原理，可以有效控制表面改性的程度，解决了负极材料包覆改性过程中不可控这一难题。
【专利说明】
全自动连续式锂离子电池负极材料的生产设备及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种锂离子电池负极材料的制造方法，尤其是全自动连续式锂离子电池负极材料的生产设备及方法。
【背景技术】
[0002]随着社会不断进步，人们对电子产品的要求日益苛刻，储能产品成为人们越来越关心的话题。能源危机的不断加剧，人们不只是对电子产品的储能提出要求，渐渐将注意力也投入其他行业，如生活电力、公共交通、通讯等，这就需要有一种能够提供大规模能量的载体设备。
[0003]目前科技阶段，锂离子二次电池成为首选，因为锂离子二次电池能量密度大，重量轻，电压高，安全性好。因此众多国家的科学家和社会企业界研究锂离子电池的相关材料和制造工艺。
[0004]在锂离子电池的负极材料方面，自从90年代，日本索尼公司发现碳可以作为锂离子二次的电池的负极材料以来，人们不断的在负极方面开拓创新。
[0005]目前市场有以下几种负极材料在大规模运用，但各有优缺点:
[0006]I)天然石墨:因为具有充放电容量高、充放电平台好、原料来源广成本较低，并且材料经提纯后纯度高的优点而得到的广泛应用。然而正是由于天然石墨结晶度高，其六方晶系的晶体底面和端面物化性质差别很大，若是天然石墨不经过表面改造处理，易于与锂电电解液发生副反应，导致电池胀气，负极材料内部塌陷，电池电性能整体衰减很快。
[0007]因此一般负极材料都是经过制成球形石墨后，进行表面化学处理或热化学表面处理，使得天然球形石墨表面的活性基团或暴露在外部的端面部分进行钝化处理。这种处理方法耗费的电量较高，工艺比较复杂，该产品一般用于高端电子产品，在动力型产品上，因为其稳定性方面欠佳，没有得到推广。
[0008]2)人造石墨:一般是采用石油焦或石墨碎类产品，经过一系列加工达到锂电行业适合的指标要求，该材料最终来源是石油行业，这些负极产品目前一般用于国内普通电子产品电池的负极材料。
[0009]3)中间相碳微球:是一种比较高端的锂电负极产品，其来源也是石油工业或煤化工，是由石油沥青或煤沥青经过中间相阶段、通过热聚合反应和分离技术，将中间相沥青碳微球分离出来，这种负极材料，循环性能好，稳定性高，但是容量较小，造价最高，是目前用于动力型产品的负极材料。
[0010]整体看来，在锂离子电池负极材料行业，传统的天然石墨、人造石墨和中间相碳微球，分别有各自的优点和缺点:传统天然石墨负极产品加工过程复杂，能耗高，收率低;人造石墨性能表现一般；中间相碳微球能耗高，原料来源昂贵，因此需要有一种工艺方法，使天然石墨的容量得到发挥，使其使用寿命和稳定性得到加强。
【发明内容】
[0011]为了克服目前锂离子电池负极材料生产的工艺复杂、能耗高昂，收率低，产品稳定性差等问题，本发明旨在提供造粒成球与表面改性的锂离子电池负极材料的制造设备及方法。
[0012]—种全自动连续式锂离子电池负极材料的生产设备，其内部包括依次连接的加料装置、球形化装置、增压装置、螺旋融合装置和冷却出料装置，球形化装置包括至少一组与传动轴同轴的磨盘，增压装置包括至少一组与传动轴同轴的涡轮片，螺旋融合装置包括与传动轴同轴的输料螺旋，冷却出料装置包括与传动轴同轴的螺旋。
[0013]优选的是:球形化装置包括三组平行设置的磨盘，第一磨盘与传动轴同速转动，第二和第三磨盘随物料自由转动。
[0014]优选的是:从设备入口到出口方向，三个磨盘的速度比为1:0.8-0.5:0.7-0.4。
[0015]优选的是:三个磨盘直径均与设备内径相同，磨盘上设置通料孔。
[0016]优选的是:通料孔对称分布于磨盘圆心，每个磨盘设两个同样的通料孔，孔的直径大小为磨盘半径的1/5。
[0017]优选的是:输料螺旋最大直径与设备内径相同。
[0018]优选的是:增压装置所处的设备处设置氮气入口。
[0019]优选的是:球形化装置、螺旋融合装置和冷却出料装置外分别设置加热与温控装置，加热与温控装置包括设置在球形化装置、螺旋融合装置和冷却出料装置外的加热管。
[0020]优选的是:冷却出料装置出口连接负压集料系统，通过气力输送粉料，既可以起到收集物料作用，又可以继续将产品降到室温。
[0021]本发明还提供采用上述设备生产锂离子电池负极材料的方法，包括如下步骤:
[0022]I)备料:选择人造焦炭、针状焦、鳞片石墨的至少一种作为基材;选择一种有机物为造粒剂，另一种有机物为表面改性剂；
[0023]2)混合:将上述基材与造粒剂、面改性剂，以一定的比例进行混合；
[0024]造粒剂:碳素材料彡1:20;表面改性剂:碳素材料彡1:9;
[0025]3)造粒成球和表面改性:将混合好的物料导入全自动连续式锂离子电池负极材料的生产设备，物料通过加料装置进入球形化装置，经过第一磨盘的强烈剪切粉碎，将物料粉碎至0.1mm-0.5mm颗粒，经过第二和第三磨盘的球形化作用，将0.lmm-0.5mm颗粒精细粉碎粉碎至3-20umm，在非等速双磨盘的作用下，实现球化颗粒的过程，完成球形化与初步融合过程;增压装置涡轮片与传动轴同轴，对螺旋融合装置和冷却出料装置增压，实现推动物料由前运动，阻止物料在螺旋融合装置产生的挥发性物质逆流;物料在螺旋融合装置，800-1OOOtC，完成融合剂和表面改性剂的裂解聚合反应过程;在冷却出料装置完成冷却过程，出料口温度为200-300 °C。
[0026]优选的是，所述造粒剂是纳米级有机物，该有机物能够在100-200°C条件下时熔融，所述的造粒剂粒径为<200nmo
[0027]优选的是，所述造粒剂是指聚乙烯、甲醛树脂、中间相沥青聚、α-甲基苯乙烯、聚丙烯腈、聚丁烯、韧性聚苯乙烯中的一种或几种。
[0028]优选的是，所述表面改性剂是微米级有机物，该有机物能够在200-280°C时分解成小分子物质，与碳素材料发生界面反应，所述的表面活性剂的粒径为0.3um-3um0
[0029]优选的是，所述表面改性剂是指高温可纺沥青、环氧树脂、聚乙烯醇、聚芳醚、氯化聚氯乙烯、丙酸纤维素中的一种或几种。
[0030]本发明的有益效果是:
[0031]I)将锂离子电池负极材料复杂的表面改性工艺，在前期造粒阶段同步完成，减少了后续的表面改性的生产工艺。
[0032]2)造粒时通过加入造粒剂，大大提高收率，对于锂离子电池负极材料来说，生产成本可显著降低，同时，采用机械化学原理，可以有效控制表面改性的程度，解决了负极材料包覆改性过程中不可控这一难题。
【附图说明】
[0033]图1是本发明设备的结构示意图。
[0034]图2是本发明设备完成造粒后的物料的SEM图。
[0035]其中，I加料装置，2球形化装置，3增压装置，4螺旋融合装置，5冷却出料装置，6传动轴，21第一磨盘，22第二磨盘，23第三磨盘，31氮气入口，32涡轮片，41输料螺旋，51螺旋。
【具体实施方式】
[0036]下面结合实施例对本发明进一步详细说明。
[0037]—种全自动连续式锂离子电池负极材料的生产设备，其内部包括依次连接的加料装置1、球形化装置2、增压装置3、螺旋融合装置4和冷却出料装置5，球形化装置I包括至少一组与传动轴6同轴的磨盘，增压装置包括至少一组与传动轴6同轴的涡轮片32，螺旋融合装置4包括与传动轴6同轴的输料螺旋41，冷却出料装置8包括与传动轴6同轴的螺旋51。
[0038]球形化装置2包括三组平行设置的磨盘，第一磨盘21与传动轴同速转动，第二磨盘22和第三磨盘23随物料自由转动。从设备入口到出口方向，三个磨盘的速度比为1:0.8-
0.5:0.7-0.4o三个磨盘直径均与设备内径相同，磨盘上设置通料孔。通料孔对称分布于磨盘圆心，每个磨盘设两个同样的通料孔，孔的直径大小为磨盘半径的1/5。输料螺旋41最大直径与设备内径相同。增压装置3所处的设备处设置氮气入口 31。球形化装置2、螺旋融合装置4和冷却出料装置5外分别设置加热与温控装置，加热与温控装置包括设置在球形化装置
2、螺旋融合装置4和冷却出料装置5外的加热管。冷却出料装置5出□连接负压集料系统，通过气力输送粉料，既可以起到收集物料作用，又可以继续将产品降到室温。
[0039]称量人造焦炭100kg、针状焦100kg、鳞片石墨100kg、a-甲基苯乙烯2kg、氯化聚氯乙烯3kg混合后放入加料装置。启动设备，设定系统主轴转速、加料机加料速度，设备以一定的速度开始加料，物料进入球形化装置后，经过剪切球化作用，完成基材的造粒过程，同时由于机械力的作用产生大量的热，造粒剂和表面改性剂融化并附着在颗粒表面，如图2。
[0040]物料通过磨盘中间的通料孔继续向区运动，由于增压装置由涡轮增压压力增大，并且开始有惰性气体氮气的通入，物料在涡轮驱动下继续向前运动进入螺旋融合装置和冷却出料装置，螺旋融合装置和冷却出料装置都有独立的加热与温控装置，物料在螺旋融合装置，8001000°C，完成融和过程，物料在冷却出料装置完成冷却过程。
【主权项】
1.一种全自动连续式锂离子电池负极材料的生产设备，其特征在于:其内部包括依次连接的加料装置、球形化装置、增压装置、螺旋融合装置和冷却出料装置，球形化装置包括至少一组与传动轴同轴的磨盘，增压装置包括至少一组与传动轴同轴的涡轮片，螺旋融合装置包括与传动轴同轴的输料螺旋，冷却出料装置包括与传动轴同轴的螺旋。2.如权利要求1所述一种全自动连续式锂离子电池负极材料的生产设备，其特征在于:球形化装置包括三组平行设置的磨盘，第一磨盘与传动轴同速转动，第二和第三磨盘随物料自由转动。3.如权利要求2所述一种全自动连续式锂离子电池负极材料的生产设备，其特征在于:从设备入口到出口方向，三个磨盘的速度比为1:0.8-0.5:0.7-0.4。4.如权利要求2所述一种全自动连续式锂离子电池负极材料的生产设备，其特征在于:三个磨盘直径均与设备内径相同，磨盘上设置通料孔。5.如权利要求4所述一种全自动连续式锂离子电池负极材料的生产设备，其特征在于:通料孔对称分布于磨盘圆心，每个磨盘设两个同样的通料孔，孔的直径大小为磨盘半径的1/5。6.如权利要求1所述一种全自动连续式锂离子电池负极材料的生产设备，其特征在于:输料螺旋最大直径与设备内径相同。7.如权利要求1所述一种全自动连续式锂离子电池负极材料的生产设备，其特征在于:增压装置所处的设备处设置氮气入口。8.如权利要求1所述一种全自动连续式锂离子电池负极材料的生产设备，其特征在于:球形化装置、螺旋融合装置和冷却出料装置外分别设置加热与温控装置，加热与温控装置包括设置在球形化装置、螺旋融合装置和冷却出料装置外的加热管。9.如权利要求1所述一种全自动连续式锂离子电池负极材料的生产设备，其特征在于:冷却出料装置出口连接负压集料系统。10.采用如权利要求1-9任一所述设备生产锂离子电池负极材料的方法，其特征在于:包括如下步骤: 1)备料:选择人造焦炭、针状焦、鱗片石墨的至少一种作为基材;选择一种有机物为造粒剂，另一种有机物为表面改性剂； 2)混合:将上述基材与造粒剂、面改性剂，以一定的比例进行混合； 造粒剂:碳素材料< 1:20;表面改性剂:碳素材料< 1:9; 3)造粒成球和表面改性:将混合好的物料导入全自动连续式锂离子电池负极材料的生产设备，物料通过加料装置进入球形化装置，经过第一磨盘的强烈剪切粉碎，将物料粉碎至.0.1mm-0.5mm颗粒，经过第二和第三磨盘的球形化作用，将0.1mm-0.5mm颗粒精细粉碎粉碎至3-20umm，在非等速双磨盘的作用下，实现球化颗粒的过程，完成球形化与初步融合过程；增压装置涡轮片与传动轴同轴，对螺旋融合装置和冷却出料装置增压，实现推动物料由前运动，阻止物料在螺旋融合装置产生的挥发性物质逆流;物料在螺旋融合装置，800-1000°C，完成融合剂和表面改性剂的裂解聚合反应过程;在冷却出料装置完成冷却过程，出料口温度为 200-300 °C。
【文档编号】H01M4/1393GK106058158SQ201610575028
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月21日
【发明人】刘照波, 楚合磊, 侯良良, 刘玉锋
【申请人】青岛海达新能源材料有限公司