微波加热法连续生产磷酸铁锂的装置

摘要

本发明提供了一种制备磷酸铁锂的装置，其特征在于，包括：炉体；微波发射机构，设置于所述炉体外部；外循环机构，链接所述炉体的进出口，并与炉体形成循环通路；密封门机构，分别设置于所述炉体的进出口，且处于所述循环通路内部；推料机构，设置于所述循环通路转向处；测温装置，设置于所述炉体上方且连通至所述炉体内部并与控制系统连接；其中，所述炉体保温层由氧化铝或硅酸铝材料组成。本发明提供的装置加热均匀，且能够快速连续制备性能稳定的磷酸铁锂。

权利要求

1.一种制备磷酸铁锂的装置，其特征在于，包括：炉体；

所述炉体包括：升温区、恒温区和降温区；

所述升温区和恒温区包括：炉体外壳、炉膛，以及填充于所述炉体外壳和炉膛之间的保温材料形成的保温层；

所述炉膛包括：炉膛盖、炉膛底以及设置于所述炉膛底下部的炉膛支撑机构；

所述炉膛盖、炉膛底由硅酸铝或氧化铝形成；

推料机构通过推动推板使装有物料的匣钵进出炉膛；

所述炉体外壳由金属材料分节制成，每节外壳为密封焊接，各节之间用螺栓联接；

微波发射机构，设置于所述炉体外部；

外循环机构，链接所述炉体的进出口，并与炉体形成循环通路；

密封门机构，分别设置于所述炉体的进出口，且处于所述循环通路内部；

推料机构，设置于所述循环通路转向处；

测温装置，设置于所述炉体上方且连通至所述炉体内部并与控制系统连接；

微波发射机构通过温控系统的电信号调整自身的微波发射功率，所述温控系统包括装在炉体上的测温装置、调节微波发射功率的装置；

其中，所述炉体保温层由氧化铝或硅酸铝材料组成。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括，排气机构，设置于所述炉体上部且连通至所述炉体内部。

3.根据权利要求1～2任意一项所述的装置，其特征在于，所述保温材料包括硅酸铝或氧化铝保温棉或保温板。

说明书

微波加热法连续生产磷酸铁锂的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及锂离子材料制备领域，具体涉及一种微波加热法连续生产磷酸铁锂的装置。

背景技术

[0002] 锂离子电池是新一代的绿色高能电池，具有电压高、体积小、循环次数多、自放电小、无记忆效应、工作温度范围宽等众多优点，成为目前的研究热点。而具有橄榄石晶体结构的磷酸铁锂(LiFePO4)与同类材料LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4具有更安全、更环保、更廉价等优势，被认为是较为理想的二次动力正极材料。

[0003] 目前国内外磷酸铁锂材料制备中最常用的方法是高温固相法。传统的高温固相法是采用电阻丝、硅碳棒、石墨等作为发热元件，将炉膛加热后，通过辐射和传导对产品由外向内加热，属于外加热方式，加热时间长、能耗大、加热不均匀、难以制备出结构均匀且性能稳定的磷酸铁锂粉末。

[0004] 为了弥补外加热法的不足，本领域技术人员使用微波加热法替代现有技术。微波加热的过程是物料分子与微波直接耦合而发生的自加热过程，属于体加热方式，加热迅速、均匀，没有温度梯度。目前用微波加热间歇式制备磷酸铁锂材料的方法已有较多报道，已证实取得了比传统加热时间短、能耗低、质量好的效果。

[0005] 在申请号为201010564211.X的发明专利中，公开了一种微波加热连续生产磷酸铁锂的方法与装置，与传统的加热方式相比，加热时间大大缩短，有效控制了磷酸铁锂的晶粒大小，使得生产的磷酸铁锂的一次晶粒在50纳米以下，提高了电池的容量。该装置利用不锈钢带传送物料，由于不锈钢在高温下强度下降、与微波发生耦合作用，会缩短不锈钢带使用寿命。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题在于提供一种能够长期使用，且能够快速连续制备性能稳定的磷酸铁锂的装置及方法。

[0007] 为了解决以上技术问题，1、一种制备磷酸铁锂的装置，其特征在于，包括：

[0008] 炉体；

[0009] 微波发射机构，设置于所述炉体外部；

[0010] 外循环机构，链接所述炉体的进出口，并与炉体形成循环通路；

[0011] 密封门机构，分别设置于所述炉体的进出口，且处于所述循环通路内部；

[0012] 推料机构，设置于所述循环通路转向处；

[0013] 测温装置，设置于所述炉体上方且连通至所述炉体内部并与控制系统连接；

[0014] 其中，所述炉体保温层由氧化铝或硅酸铝材料组成。

[0015] 优选的，还包括，排气机构，设置于所述炉体上部且连通至所述炉体内部。

[0016] 优选的，所述炉体包括：升温区、恒温区和降温区。

[0017] 优选的，所述升温区和恒温区包括：炉体外壳、炉膛，以及填充于所述炉体外壳和炉膛之间的保温材料形成的保温层。

[0018] 优选的，所述炉膛包括：炉膛盖、炉膛底以及设置于所述炉膛底下部的炉膛支撑机构。

[0019] 优选的，所述炉膛盖、炉膛底由硅酸铝或氧化铝形成。

[0020] 优选的，所述保温材料包括硅酸铝或氧化铝保温棉或保温板。

[0021] 本发明提供了一种制备磷酸铁锂的装置，包括：炉体；微波发射机构，设置于所述炉体外部；外循环机构，链接所述炉体的进出口，并与炉体形成循环通路；密封门机构，分别设置于所述炉体的进出口，切处于所述循环通路内部；推料机构，设置于所述循环通路转向处；测温装置，设置于所述炉体上方且连通至所述炉体内部并与控制系统连接；其中，所述炉体保温层由氧化铝或硅酸铝材料形成。本发明提供的装置内部使用的是氧化铝或硅酸铝材料，能让微波穿透，使发射的微波直接到达物料；另外，由于磷酸铁锂的制备过程中不能含有氧气，否则会导致产品性能降低或报废，所以本发明提供的装置进出口处各有两个密封门机构，能够保证装置内部的氧气含量低于50PPM，提高了磷酸铁锂质量的稳定性。由于本发明使用的是微波加热，所以烧结时间短，物料受热均匀，产品一致性好，稳定性高。

附图说明

[0022] 图1本发明实施例提供的制备磷酸铁锂设备的俯视图；

[0023] 图2本发明实施例提供的制备磷酸铁锂设备升温区和恒温区炉体横截面图。

具体实施方式

[0024] 为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。

[0025] 为了解决现有技术的难题，本发明提供了一种制备磷酸铁锂的装置，包括：炉体；

[0026] 微波发射机构，设置于所述炉体外部；

[0027] 外循环机构，链接所述炉体的进出口，并与炉体形成循环通路；

[0028] 密封门机构，分别设置于所述炉体的进出口，且处于所述循环通路内部；

[0029] 推料机构，设置于所述循环通路转向处；

[0030] 测温装置，设置于所述炉体上方且连通至所述炉体内部并与控制系统连接；

[0031] 其中，所述炉体保温层由氧化铝或硅酸铝材料形成。

[0032] 本发明提供一种的装置，包括炉体、微波发射机构、测温装置、密封门机构、推料机构。炉体优选包括炉体外壳、升温区、恒温区和降温区。所述升温区和恒温区包括：炉体外壳、炉膛，以及填充于所述炉体外壳和炉膛之间的保温材料形成的保温层。所述炉膛包括：炉膛盖、炉膛底以及设置于所述炉膛底下部的炉膛支撑机构。所述炉膛盖由硅酸铝或氧化铝形成。所述保温材料包括硅酸铝或氧化铝，更优选为氧化铝纤维或硅酸铝纤维。

[0033] 按照本发明，所述炉体外壳由金属材料分节制成，每节外壳为密封焊接，各节之间用螺栓联接。炉体外部设置微波发射机构。微波发射机构通过温控系统的电信号调整自身的微波发射功率，所述温控系统包括装在炉体上的测温装置、调节微波发射功率的装置。按照本发明，所述金属材料优选为低碳钢或不锈钢。在炉体进出口各有一套密封门机构，密封门的开闭与推料机构配合使炉膛内气氛保持稳定，防止空气进入炉膛。推料机构通过推动推板使装有物料的匣钵进出炉膛。推料机构和温控系统优选由可编程逻辑控制器(PLC)或工控机统一控制。通过调节微波发射机构的功率调节各温区的温度，通过调节推进的速度和推进间隔时间控制物料在各温度点停留时间，达到连续化工业生产的目的。

[0034] 如图1和图2所示，本发明的提供的制备磷酸铁锂的装置包括炉体1、微波发射机构2、密封门机构3、推料装置4、排气管5、测温装置6、外循环架7及控制系统。其特征在于炉体1为隧道式结构，由金属壳体8分节制成，每节炉体为密封焊接，各节之间用螺栓联接。优选地，金属壳体8的材料为优质碳素钢或不锈钢。炉体分为升温区1-1、恒温区1-2、降温区1-3。上述升温区1-1、恒温区1-2炉体内部由炉膛盖9、炉膛底12、炉膛支承14、保温层
13组成。保温层材料为硅酸铝纤维板或棉、氧化铝纤维板或棉。炉膛盖9、炉膛底12、炉膛支承14主要材料为氧化铝，且要求含吸收微波的成份如钠、钾、锆等不超过0.3％。推板11由推料装置4推动运行在炉膛底12上。

[0035] 在升温区1-1、恒温区1-2炉体外部安装微波发射机构2。发射机构2优选为发射频率为2450MHz的工业级磁控管。优选的，所述磁控管为阳极水冷式磁控管。更优选地，所述磁控管功率为1.0-3.0KW。所述微波发射机构2数量优选为30-180个。微波发射机构2分组由控制系统控制发射功率，每组发射机构2对应有一个或数个测温装置6。测温装置6优选为热电偶，也可为红外线测温仪等。测温装置6测量炉膛中的温度，并反馈到控制系统，由控制系统自动控制微波发射机构2的输出功率达到自动控制温度的目的。

[0036] 在炉体1进出口各有一套密封门机构3，每套密封门机构3由2副密封门及其传动机构组成。所述2副密封门之间为密封仓室。密封仓室中通入氮气，只有在密封仓室中氧含量降到一定数值(如20PPM)后才允许靠炉体的密封门打开，这样确保了炉膛中不会进入空气。密封门的开闭与推料机构配合由控制系统自动控制。炉膛中一直在充入氮气防止炉内物料氧化。炉内氮气的运动方向与物料运动方向相反，即氮气由炉尾向炉头运动，最后与燃烧的废气从排气管5排出。调节氮气大小及排气管开口大小，使炉内氧含量低于20PPM，炉内气压低于70Pa。

[0037] 降温区1-3炉体内为用不锈钢制成的水冷夹套，利用夹套中冷却水使物料得到快速冷却。调节推料装置4推进速度和推料间隔时间及冷却水流量可调节冷物料出炉温度，本发明中控制出料温度小于80℃，防止温度过高物料氧化。

[0038] 按照本发明，所述外部循环架7上均匀布置多个金属滚筒，所述金属滚筒优选为内置滚动轴承的无动力镀锌滚筒。外部循环架7两端通过密封门机构3连接到炉膛的进口和出口。将需要烧结的原料置于匣钵中，所述装载有原料的匣钵置于外部循环架7的推板上，通过推料装置4推动进入炉膛进行烧结。烧结完毕的产品通过循环通路从所述外部循环架7的推板上取出。

[0039] 通过调节各组微波发射机构2的输出功率来调节炉内温度曲线，恒温区的温度优选为750-800℃，通过调节推料装置4推进速度和推料间隔时间来调节烧结时间，并通过调节炉内气氛使得微波加热连续生产磷酸铁锂成功实现。

[0040] 通过微波加热方式缩短加热时间，降低能耗，改善加热均匀性，利用PLC或工控机自动控制方式调节微波发射功率、精密控制各点温度，自动控制物料运行速度、精确控制加热时间，解决了磷酸铁锂工业化生产质量不稳定的难题。

[0041] 采用本发明装置生产磷酸铁锂的方法和步骤是：

[0042] (1)将铁源、锂源、和磷源按摩尔比Fe∶Li∶P＝(1～1.1)∶(1～1.1)∶(1～1.1)配比，并加入微波吸收剂，添加溶剂，进行球磨。经干燥后，置入刚玉莫来石匣钵中。

[0043] (2)调节微波发射装置的功率，按升温区、恒温区、降温区分别调至设定温度，通入氮气，将窑炉氧含量降到50PPM以下。

[0044] (3)启动推料装置将匣钵推入窑炉，使匣钵按设定速度通过各温区。

[0045] (4)本发明中，恒温区温度为750～800℃，匣钵在恒温区停留时间1～3小时，物料出炉温度＜80℃。

[0046] 本发明提供的制备方法，使用微波加热烧结制备磷酸铁锂。为了得到性能优异的磷酸铁锂就要控制微波加热烧结的温度、烧结时间和烧结环境，所以本发明提供的制备方法具体为：将铁源化合物、锂源化合物、和磷源化合物按摩尔比Fe∶Li∶P＝(1～1.1)∶(1～1.1)∶(1～1.1)配比，并加入微波吸收剂，添加溶剂，进行球磨。经干燥后，置入刚玉莫来石匣钵中；按照本发明，所述锂源化合物优选为锂的硝酸盐、氯化物和氢氧化物中的一种或多种；所述铁源化合物优选为草酸亚铁、醋酸亚铁和乳酸亚铁中的一种或多种；所述磷源化合物优选为磷酸一氢铵、磷酸铵或磷酸二氢铵中的一种或多种；所述微波吸收剂优选为活性炭、石墨或金属盐。所述微波吸收剂或者在烧结时消耗掉，或者在烧结后作为磷酸铁锂的包覆材料增加其导电性或改善其它性能。

[0047] 调节微波加热法连续生产磷酸铁锂装置的功率，按升温区、恒温区、降温区分别调至设定温度，通入氮气，将窑炉氧含量降到50PPM以下；优选的所述微波加热的功率为30-540KW，恒温区的加热温度优选为750～800℃。启动上述装置推料机构将匣钵推入窑炉，使匣钵按设定速度通过各温区；本发明中，匣钵在恒温区停留时间1～3小时，物料出炉温度＜80℃。

[0048] 按照本发明，将需要烧结的原料置于匣钵中，所述装载有原料的匣钵置于外部循环架7的推板上，所述推板设置于所述金属滚筒上，外部循环架7上均匀布置多个金属滚筒，所述金属滚筒优选为内置滚动轴承的无动力镀锌滚筒。外部循环架7两端通过密封门机构3连接到炉膛的进口和出口。所述推板通过推料装置4推动进入炉膛进行原料的烧结。烧结完毕的产品通过循环通路从所述外部循环架7的推板上取出。

[0049] 实施例1

[0050] 将100mol氢氧化锂、100mol草酸亚铁、100mol磷酸二氢铵混合，并加入10mol活性炭，进行球磨。经干燥后，置入多个刚玉莫来石匣钵中，将所述匣钵放置在外循环架的推板上。

[0051] 启动推料装置将上述匣钵推入窑炉，调节微波发射装置的功率，按升温区、恒温区、降温区分别调至设定温度，通入氮气，将窑炉氧含量降到50PPM以下。

[0052] 设置推料装置速度，使匣钵按设定速度通过各温区，然后从外部循环架取出匣钵，得到产品。

[0053] 所述恒温区温度为750℃，匣钵在恒温区停留时间2小时，物料出炉温度＜80℃。整个过程通过PLC进行控制。

[0054] 所述炉体保温层由氧化铝或硅酸铝材料形成。本发明提供的装置内部使用的是氧化铝或硅酸铝材料，能让微波穿透，使发射的微波直接到达物料；另外，由于磷酸铁锂的制备过程中不能含有氧气，否则会导致产品性能降低或报废，所以本发明提供的装置进出口处各有两个密封门机构，能够保证装置内部的氧气含量低于50PPM，提高了磷酸铁锂质量的稳定性。由于本发明使用的是微波加热，所以烧结时间短，物料受热均匀，产品一致性好，稳定性高。

[0055] 以上对本发明提供的一种制备磷酸铁锂的装置进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。