一种负极材料一体化制备工艺及生产设备的制作方法

本发明涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种负极材料一体化制备工艺及生产设备。

背景技术：

锂电池是全球公认的绿色能源。受下游新能源汽车及储能电池需求增长的带动，全球及中国锂电池产业近几年取得了快速增长。近几年，全球及中国锂电池产值逐渐增加，全球3c锂电池市场日趋成熟，动力锂电池市场已经成为全球锂电池市场快速增长的最大引擎，而就区域市场来看，中国已成为全球锂电池发展最活跃的地区。新能源汽车、新材料等产业的不断发展，对锂电池企业将提出更高的要求，同时对于整个锂电产业也将是有力的提振。

负极材料是新能源汽车动力电池的四大材料中配套最为成熟的材料，也是影响锂电池能量密度的主要因素之一，在锂电池中的成本占比在10％～15％。理想的锂离子电池应该具备低电位、结构稳定、电位变化幅度小、锂离子脱嵌可逆性好、导电性能好、界面稳定性好及界面交流阻抗低等性能，以满足锂离子电池具有更高的能量密度及充放电功能。

而在制造锂电池负极材料过程中最核心的环节就是包覆碳化的过程。首先，负极材料生产需要的反应温度越来越高，这也成为了行业的趋势；其次，锂电池负极材料行业生产用物料有粉料及沥青焦等物质，这些物料的搅拌混合难度十分大，流动阻力也很强。负极材料生产过程中物料的混合搅拌效果成为决定产品质量的最重要因素之一。

传统的生产设备投入较大，生产效率较低，在碳化关键工序上，仍采用辊道窑或者推板窑，辊道窑对棍棒的质量要求比较高，而推板窑处理温度可控性较差、产品受热不均匀，热交换不充分。而且生产工艺包覆、造粒都是逐步进行，多种原材料逐一添加，均需要先完成升温操作，之后再冷却降温进行下一步，工艺较复杂，而且资源浪费严重。而且针对锂电池负极材料的粉料特点，传统的螺带式搅拌系统的结构在生产中并不能完全满足要求。

技术实现要素：

本发明就是针对现有技术生产成本较高、资源浪费严重、工艺较复杂及产品受热不均匀的技术问题，提供一种负极材料一体化制备工艺及生产设备。

为解决上述技术问题，为此本发明提供一种负极材料一体化制备工艺，其包括如下步骤：

(1)混料

多种原材料通过进料口进入混料系统，将来料进行搅拌混合；

(2)升温、包覆

将包覆系统升温至指定温度，然后对材料进行包覆；

(3)造粒、碳化

将造粒碳化系统升至指定温度，然后对步骤(2)包覆后的材料进行造粒、碳化；

(4)冷却

将步骤(3)造粒碳化系统完成后的高温物料进行连续冷却，冷却系统在氮气的保护下将物料冷却至室温；

(5)出料

将步骤(4)冷却至室温的物料进行出料，继续后道工序的进行。

优选地，包覆系统温度设定为400℃-800℃。

优选地，造粒碳化系统温度设定为800℃-1000℃。

本发明还提供一种负极材料一体化生产设备，其设有混料系统和搅拌系统，搅拌系统设有主轴和螺杆，螺杆设在主轴上，其还设有包覆系统、造粒碳化系统及冷却系统，混料系统、包覆系统及造粒碳化系统均设置在设备平台上，混料系统、包覆系统、造粒碳化系统及冷却系统从上到下依次设置，包覆系统、造粒碳化系统及冷却系统内均设有进料口、落料口及搅拌系统，搅拌系统还设有搅拌桨，一体化生产设备还设有电机，电机带动主轴进行旋转，包覆系统、造粒碳化系统均设有加热系统及冷却装置。

优选地，包覆系统、造粒碳化系统及冷却系统均设有保护气进气管及保护气出气管，采用的保护气为氮气。

优选地，搅拌桨设有内螺旋桨和外螺旋桨，内螺旋桨的外径与外螺旋桨的外径之比为1:1.8-1：1.3。

优选地，内螺旋桨与外螺旋桨的螺距相同。

优选地，冷却系统采用水冷技术。

优选地，加热系统中采用加热炉，加热炉采用中频加热，加热铜管呈斜螺旋线均匀缠绕在炉体上。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

(1)本发明结构简单，实现了负极材料包覆、造粒、碳化一体化的制备工艺，实现了设备的自动化，不仅可以节省设备投入，同时节省占地、配电等相关辅助设施投资，减少生产成本，还大幅度的提高了生产效率。

(2)在碳化关键工序上，摈弃传统的辊道窑及推板窑，采用连续旋转窑，处理温度更可控，产品受热均匀，一致性好；而且处理量增加，单线产能大幅提升，进一步提高了生产效率。

(3)采用高效的水冷技术，保证设备关键部位不过热，而且高温冷却水可以进行取暖或者热交换，不仅节约了能源，还实现了热能的循环利用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明搅拌系统的结构示意图；

图3为本发明加热系统的结构示意图。

图中符号标记说明：

1.设备平台；2.混料系统；201.搅拌装置；202.第一落料口；3.包覆系统；301.第一设备框架；302.第三进料口；303.第二落料口；4.造粒碳化系统；401.第二设备框架；402.第四进料口；403.第三落料口；5.冷却系统；501.第五进料口；502.第四落料口；6.搅拌系统；601.主轴；602.螺杆；603.搅拌桨；604.外螺旋桨；605.内螺旋桨；701.第一进料口；702.第二进料口；8.输料管；901.保护气进气管；902.保护气出气管；10.加热系统；101.加热炉；102.加热铜管；11.电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。

如图1所示，本发明提供一种负极材料一体化制备工艺，其包括如下步骤：

(1)混料

多种原材料通过进料口进入混料系统2，将来料进行均匀混合搅拌；

(2)升温、包覆

将包覆系统3升温，包覆系统温度设定为600，然后对材料进行包覆处理；

(3)造粒、碳化

将造粒碳化系统4温度设定为1000℃，然后对步骤(2)包覆后的材料进行造粒、碳化；

(4)冷却

将步骤(3)造粒碳化系统完成后的高温物料进行连续冷却，冷却系统在氮气的保护下将物料冷却至室温；

(5)出料

将步骤(4)冷却至室温的物料进行出料，继续后道工序的进行。

本发明通过采用负极材料包覆、造粒、碳化一体化的制备工艺，实现设备的自动化生产，不仅可以节约占地面积、节省设备投入，而且整体投资占比仅为传统的1/5，提高了生产效率，产能提高。

如图1所示，本发明还提供一种负极材料一体化生产设备，其设有设备平台1，设备平台1共设有三层，设备平台用于支撑放置生产设备。设备平台1从上到下依次设有混料系统2、包覆系统3、造粒碳化系统4，造粒碳化系统4下方设有冷却系统5，各系统之间连接有输料管8。

包覆系统3、造粒碳化系统4及冷却系统5内均设有搅拌系统6，设备开启，搅拌系统6即进行搅拌，用于均匀物料、保证受热均匀，搅拌系统的结构示意图如图2所示。搅拌系统6设有主轴601和螺杆602，螺杆602垂直设置在主轴601上，相连两根螺杆602平行设置。搅拌系统6还设有搅拌桨603，搅拌桨603设有外螺旋桨604和内螺旋桨605。内螺旋桨605的外径与外螺旋桨604的外径之比为1:1.8-1：1.3，而且外螺旋桨604与内螺旋桨605的螺距相同。

通过设置错位交叉式的外螺旋桨604和内螺旋桨605，增加了螺旋桨与物料的交出面积，减少了搅拌死角，确保了物料混合更加均匀，搅拌效果更好，热交换效率更高。

包覆系统3及造粒碳化系统4均设有加热系统10及冷却装置，系统中的冷却装置防止高温的炉体受热变形，防止安全隐患。加热系统结构示意图如图3所示，加热系统10内设有加热炉101，加热炉101采用中频加热，加热铜管102呈螺旋线均匀缠绕在加热炉101上。根据加工原料的不同，生产工艺温度也不同，系统的加热温度可以进行调节，包覆系统加热温度为400℃-800℃，造粒碳化系统加热温度为800℃-1200℃。

第一进料口701和第二进料口702设在混料系统2上方，混料系统2内设有搅拌装置201，混料系统2底部中部设有第一落料口202，混料完成的材料通过第一落料口202进入下方的包覆系统3中。

包覆系统3外部设有第一设备框架301，包覆在包覆系统3外部，包覆系统3上方中部设有第三进料口302，底部中部设有第二落料口303。主轴601设在包覆系统3中部，贯穿包覆系统3，主轴601通过电机11带动进行运动。

来自包覆系统3的物料由第二落料口303通过输料管8，由第四进料口402进入到下方造粒碳化系统4中进行造粒、碳化。造粒碳化系统4设有第二设备框架401，造粒碳化系统4底部中部设有第三落料口403。

本发明在碳化关键工序上，摈弃了传统的辊道窑及推板窑，采用连续旋转窑，处理温度更可控，产品受热均匀，一致性好，处理量增加，效率同国内同行相比显著提升。

冷却系统5采用高效的水冷技术，保证设备关键部位不过热。冷却系统顶部中部设有第五进料口501，底部中部设有第四落料口502。来自造粒碳化系统4的物料进入到冷却系统，将完成造粒碳化后的材料进行连续冷却，冷却系统5将材料冷却至室温。

由于造粒碳化系统4的温度设定为800℃-1200℃，冷却系统5中采用的低温冷却水经过水冷后温度升高，这部分热源可以用来进行供暖或其他需要热源的地方，不仅实现了热能的循环利用，还避免了能源浪费，节约了资源。

包覆系统3、造粒碳化系统4及冷却系统5内均设有保护气进气管901及保护气出气管902，保护气进气管901设在系统左侧，保护气出气管902设在系统右侧。系统采用氮气做为保护气，防止系统中的物料被氧气氧化，维持物料的纯度。

需要说明的是，本发明中所使用的术语如无特殊规定，均为行业内常规术语。在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

惟以上所述者，仅为发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明专利实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。