一种锂离子电池负极碳化装置及其碳化方法与流程

本发明涉及锂电池领域，具体涉及一种锂离子电池负极碳化装置及其碳化方法。

背景技术

石墨粉和石墨膜等石墨材料由于其独特的电学和热学性能而在锂电池中广泛用作负极材料，虽然石墨用在锂离子电池中具有工作电压高、比能量大、重量轻、体积小、循环寿命长、可快速充放电和无环境污染等优点，但是石墨与电解液的相容性较差，限制了纯石墨在锂离子电池中的应用。因此必须对石墨材料进行改性，在石墨表面包覆一层无定形碳材料，以提高其振实密度，使电池充放电容量增大。

目前，传统的包覆方法一般是将石墨负极材料倒入无定形炭前驱体溶液中，然后一边搅拌，一边加热溶液，使其蒸发，从而让无定形炭前驱体包覆在石墨材料表面，之后将石墨负极材料放入碳化炉内对无定形炭前驱体进行碳化即可在石墨负极材料表面形成一层无定形炭包覆材料。

上述包覆方法在使用过程中存在无定形炭前驱体溶液浪费现象比较严重的问题，无定形炭前驱体溶液经蒸发后直接排至室外空气中，没有对齐进行回收利用，因此包覆材料成本较高，而且将石墨负极材料放入碳化炉内进行碳化也需要花费时间进行搬运输送，费时费力，影响包覆生产工艺的生产周期；

虽然申请号为201420833545.6的中国专利，公开了一种锂离子电池用负极材料石墨包覆碳化装置（包括碳化箱、箱盖、调控电机和电磁感应线圈，碳化箱由保温层和导热层组成，保温层和导热层之间设有加热电阻丝，调控电机固定在碳化箱顶端的箱盖上，调控电机上连接的转轴上固设有搅拌桨和搅拌杆，搅拌杆末端连接有侧壁刮刀，转轴末端安装有底部刮刀，电磁感应线圈缠绕在碳化箱外壁上，箱盖上连接有带单向阀的进料管和带滤网的出气管，出气管通过风机连接有排放管，碳化箱内设有红外测温仪和热电偶）能够实现在碳化箱内进行包覆和碳化作业，省去了将石墨负极材料放入碳化炉内进行碳化时搬运输送的麻烦，但是，上述锂离子电池用负极材料石墨包覆碳化装置在使用过程中仍存在无定形炭前驱体溶液经蒸发后直接排至室外空气中，没有对齐进行回收利用，浪费现象比较严重，包覆材料成本耗费较高的问题，此外，对无定形炭前驱体进行碳化时没有在隔绝空气的环境下进行，因此无定形炭前驱体碳化效果较差，实用性不强。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种锂离子电池负极碳化装置及其碳化方法，以解决现有技术中传统的锂离子电池负极碳化装置工作时需要耗费大量的无定形炭前驱体溶液，包覆材料耗费成本较高，而且碳化效果较差等问题。本发明提供的诸多技术方案中优选的技术方案能够实现对无定形炭前驱体溶液进行回收利用，节约包覆材料，故而能够降低材料耗费成本，同时碳化效果好等技术效果，详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种锂离子电池负极碳化装置，包括储液箱，所述储液箱上端固定安装有冷凝器、碳化箱以及与所述储液箱内部连通的干燥器；所述干燥器上安装有排气管；所述储液箱侧面安装有显示屏和与所述显示屏电连接的处理器；所述碳化箱上端可拆卸密封连接有箱盖；所述冷凝器通过进气管和出气管分别与所述碳化箱和所述储液箱内部连通；所述储液箱内箱底上安装有输液泵，所述输液泵上安装有与所述碳化箱内部连通的进液管；

所述箱盖上表面固定安装有搅拌电机、上料斗和旋转电机，所述箱盖下表面滚动安装有上端与所述搅拌电机的输出轴固定连接的搅拌轴以及紧贴所述箱盖下表面滚动并与所述旋转电机下端输出轴固定连接的密封板，所述密封板上设置有与所述上料斗连通的下料孔，所述搅拌轴侧面布满搅拌桨，所述碳化箱内壁下端固定安装有与所述搅拌轴下端滚动连接的筛板，所述碳化箱内壁上布置有与所述处理器电连接的温度传感器；所述碳化箱内侧底面上布满通孔，所述碳化箱底面内部设置有与所述通孔连通的空腔室；所述储液箱内侧顶面设置有与所述空腔室连通的出液管；

所述碳化箱外壁上安装有氮气瓶、与所述氮气瓶和所述空腔室分别通过输气管和送风管连通的热风烘干机；所述输气管和所述送风管以及所述出液管上均安装有控制阀。

作为优选，所述储液箱外壁上铰接有检修门。

作为优选，所述进气管上端从所述箱盖上表面伸入所述碳化箱内。

作为优选，所述出气管下端伸入到所述储液箱内侧底部。

作为优选，所述进液管与所述碳化箱内壁上端连通。

作为优选，所述出液管下端安装有溶液过滤器。

作为优选，所述下料孔数量有多个，且以所述旋转电机为中心呈中心对称分布。

一种锂离子电池负极碳化方法，使用权利要求1-7任意一项所述的锂离子电池负极碳化装置执行以下步骤：

步骤一：将无定形炭前驱体溶液和待碳化的石墨负极材料分别加入储液箱和上料斗内，然后启动输液泵和旋转电机，使无定形炭前驱体溶液和石墨负极材料分别分别通过进液管和下料孔进入碳化箱中；

步骤二：启动搅拌电机，对进入所述碳化箱内的无定形炭前驱体溶液和石墨负极材料进行混合搅拌，当石墨负极材料进料完毕，同时无定形炭前驱体溶液也刚好淹没石墨负极材料时，关闭所述输液泵，停止向所述碳化箱内继续输送无定形炭前驱体溶液，同时启动所述旋转电机带动密封板旋转将所述上料斗下端密封住；

步骤三：继续搅拌一段时间后，开启出液管上的控制阀，将所述碳化箱内的无定形炭前驱体溶液全部放入所述储液箱中，然后关闭所述控制阀；

步骤四：打开输气管和送风管上的所述控制阀，开启热风烘干机，氮气瓶内的氮气经所述输气管进入所述热风烘干机内进行加热，加热后的热的氮气经所述送风管进入空腔室内并从通孔向上流出加热石墨负极材料，石墨负极材料表面的无定形炭前驱体溶液受到热的氮气的加热而蒸发，从而形成无定形炭前驱体包覆在石墨负极材料表面，之后，随着热的热的氮气的不断加热，包覆在石墨负极材料表面的无定形炭前驱体碳化形成无定形碳包覆材料；热的氮气在所述碳化箱内自下而上流动穿过筛板上方的大量石墨负极材料后从进气管进入冷凝器内进行冷却降温；进入所述冷凝器内的气体除了热的氮气，还有蒸发的无定形炭前驱体溶液蒸汽，上述混合气体在所述冷凝器内冷却降温后，热的氮气温度降低，无定形炭前驱体溶液蒸汽液化成无定形炭前驱体溶液；氮气和无定形炭前驱体溶液经出气管进入所述储液箱中，之后，氮气经过干燥器干燥后从排气管排出。

作为优选，步骤四中热的氮气在所述碳化箱内加热石墨负极材料的过程中所述搅拌电机不停止转动。

有益效果在于：本发明所述的一种锂离子电池负极碳化装置及其碳化方法能够对无定形炭前驱体溶液进行回收利用，不仅节约包覆材料，降低材料耗费成本，而且碳化效果好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的主视图；

图2是本发明的图1的内部结构图；

图3是本发明的图2的局部放大图；

图4是本发明的密封板的结构示意图。

附图标记说明如下：

1、储液箱；2、检修门；3、冷凝器；4、出气管；5、进气管；6、碳化箱；7、输液泵；8、进液管；9、干燥器；10、排气管；11、箱盖；12、搅拌电机；13、上料斗；14、旋转电机；15、密封板；16、下料孔；17、搅拌轴；18、搅拌桨；19、温度传感器；20、显示屏；21、处理器；22、氮气瓶；23、热风烘干机；24、控制阀；25、输气管；26、送风管；27、出液管；28、溶液过滤器；29、空腔室；30、通孔；31、筛板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

参见图1-图4所示，本发明提供的一种锂离子电池负极碳化装置，包括储液箱1，储液箱1用于存储无定形炭前驱体溶液，储液箱1上端固定安装有冷凝器3、碳化箱6以及与储液箱1内部连通的干燥器9，冷凝器3用于冷却碳化箱6排出的湿热氮气和无定形炭前驱体溶液蒸汽，这样可避免直接将无定形炭前驱体溶液蒸汽排至室外造成无定形炭前驱体浪费，而无定形炭前驱体溶液蒸汽在冷凝器3内液化后能够重新回流到储液箱1内二次利用，有效节约无定形炭前驱体溶液，降低无定形炭前驱体溶液的耗费成本，干燥器9用于将氮气干燥后从排气管10排出；干燥器9上安装有排气管10；储液箱1侧面安装有显示屏20和与显示屏20电连接的处理器21，处理器21用于处理温度传感器19检测到的温度信号并将处理后的温度数据显示在显示屏20上供工作人员查看，方便工作人员调整热风烘干机23的加热功率；碳化箱6上端可拆卸密封连接有箱盖11；冷凝器3通过进气管5和出气管4分别与碳化箱6和储液箱1内部连通；储液箱1内箱底上安装有输液泵7，输液泵7用于将储液箱1内的无定形炭前驱体溶液输送至碳化箱6，输液泵7上安装有与碳化箱6内部连通的进液管8；

箱盖11上表面固定安装有搅拌电机12、上料斗13和旋转电机14，旋转电机14用于带动密封板15旋转控制上料斗13出料，箱盖11下表面滚动安装有上端与搅拌电机12的输出轴固定连接的搅拌轴17以及紧贴箱盖11下表面滚动并与旋转电机14下端输出轴固定连接的密封板15，密封板15用于密封上料斗13，防止热的氮气从上料斗13逸出，密封板15上设置有与上料斗13连通的下料孔16，搅拌轴17侧面布满搅拌桨18，碳化箱6内壁下端固定安装有与搅拌轴17下端滚动连接的筛板31，筛板31用于阻挡石墨负极材料落到碳化箱6的箱底上，防止石墨负极材料进入通孔30内堵塞空腔室29，碳化箱6内壁上布置有与处理器21电连接的温度传感器19；碳化箱6内侧底面上布满通孔30，碳化箱6底面内部设置有与通孔30连通的空腔室29；储液箱1内侧顶面设置有与空腔室29连通的出液管27；

碳化箱6外壁上安装有氮气瓶22、与氮气瓶22和空腔室29分别通过输气管25和送风管26连通的热风烘干机23热风烘干机23用于将氮气瓶22内的氮气加热送入碳化室内对石墨负极材料进行加热使包覆在石墨负极材料表面的无定形炭前驱体碳化，由于氮气大量充入碳化箱6内，使无定形炭前驱体与外界空气隔绝，因此能够保证无定形炭前驱体具有较好的碳化效果；输气管25和送风管26以及出液管27上均安装有控制阀24，控制阀24用于控制输气管25和送风管26以及出液管27通断。

作为可选的实施方式，储液箱1外壁上铰接有检修门2，检修门2方便检修人员对储液箱1内的水泵和溶液过滤器28进行检修；

进气管5上端从箱盖11上表面伸入碳化箱6内，这样设计，可避免碳化箱6内的无定形炭前驱体溶液流入进气管5中。

出气管4下端伸入到储液箱1内侧底部，这样设计，使得冷凝器3内没有液化完毕的无定形炭前驱体溶液蒸汽能够溶于储液箱1内的无定形炭前驱体溶液中而不会随氮气直接从排气管10排走（出气管4下端伸入到储液箱1内侧底部保证了氮气和无定形炭前驱体溶液蒸汽从冷凝器3离开后能够被通入无定形炭前驱体溶液中），有效避免无定形炭前驱体浪费。

进液管8与碳化箱6内壁上端连通。

出液管27下端安装有溶液过滤器28，溶液过滤器28用于过滤流入储液箱1中的无定形炭前驱体溶液。

下料孔16数量有多个，且以旋转电机14为中心呈中心对称分布，多个下料孔16使得密封板15稍微旋转一下便可开启上料斗13下料，使上料斗13开启和关闭响应较快。

一种锂离子电池负极碳化方法，使用权利要求1-7任意一项的锂离子电池负极碳化装置执行以下步骤：

步骤一：将无定形炭前驱体溶液和待碳化的石墨负极材料分别加入储液箱1和上料斗13内，然后启动输液泵7和旋转电机14，使无定形炭前驱体溶液和石墨负极材料分别分别通过进液管8和下料孔16进入碳化箱6中；

步骤二：启动搅拌电机12，对进入碳化箱6内的无定形炭前驱体溶液和石墨负极材料进行混合搅拌，当石墨负极材料进料完毕，同时无定形炭前驱体溶液也刚好淹没石墨负极材料时，关闭输液泵7，停止向碳化箱6内继续输送无定形炭前驱体溶液，同时启动旋转电机14带动密封板15旋转将上料斗13下端密封住；

步骤三：继续搅拌一段时间后，开启出液管27上的控制阀24，将碳化箱6内的无定形炭前驱体溶液全部放入储液箱1中，然后关闭控制阀24；

步骤四：打开输气管25和送风管26上的控制阀24，开启热风烘干机23，氮气瓶22内的氮气经输气管25进入热风烘干机23内进行加热，加热后的热的氮气经送风管26进入空腔室29内并从通孔30向上流出加热石墨负极材料，石墨负极材料表面的无定形炭前驱体溶液受到热的氮气的加热而蒸发，从而形成无定形炭前驱体包覆在石墨负极材料表面，之后，随着热的热的氮气的不断加热，包覆在石墨负极材料表面的无定形炭前驱体碳化形成无定形碳包覆材料；热的氮气在碳化箱6内自下而上流动穿过筛板31上方的大量石墨负极材料后从进气管5进入冷凝器3内进行冷却降温；进入冷凝器3内的气体除了热的氮气，还有蒸发的无定形炭前驱体溶液蒸汽，上述混合气体在冷凝器3内冷却降温后，热的氮气温度降低，无定形炭前驱体溶液蒸汽液化成无定形炭前驱体溶液；氮气和无定形炭前驱体溶液经出气管4进入储液箱1中，之后，氮气经过干燥器9干燥后从排气管10排出。

作为可选的实施方式，步骤四中热的氮气在碳化箱6内加热石墨负极材料的过程中搅拌电机12不停止转动，这样设计，保证石墨负极材料表面能够均匀涂抹上无定形炭前驱体溶液。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。