一种镍钴锰酸锂正极材料的连续性生产设备
技术领域
本实用新型涉及一种镍钴锰酸锂正极材料的连续性生产设备。
背景技术
据工信部数据，2018年，新能源汽车产销分别完成127万辆和 125.6万辆，同比分别增长59.9％和61.7％，在新能源汽车产业带动下，动力电池产业得到飞速发展。
锂离子电池因平台电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、绿色环保等优势被广泛应用于动力电池。镍钴锰酸锂具有高比容量、高能量密度和功率密度，性能稳定逐步成为动力电池的主流正极材料。
传统生产镍钴锰酸锂正极材料方法是将前驱体材料与锂源机械混匀后，以匣钵盛装后置于辊道窑中进行高温烧结使其反应生成镍钴锰酸锂正极材料。由于是静态盛装，位于匣钵内部的粉体烧结过程与氧气接触不充分，难以对内部粉体进行彻底氧化，对正极材料性能有较大影响，对于高镍材料尤为严重。同时，前驱体材料与锂源是通过机械混匀，难以对两者进行完全彻底的混匀，烧结过程中局部位置成分的差异导致烧结所得镍钴锰酸锂的成分不同，影响性能的发挥。因辊道窑内同一截面的温度在不同区域不完全相同，烧结过程中匣钵盛装的材料置于辊道窑中，材料在匣钵位置的差异会影响到烧结温度，最终导致烧结的材料在不同匣钵位置性能不同。匣钵典型尺寸为300 ×300×100mm，匣钵容积小，烧结的效率低，局限性明显。
实用新型内容
为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种镍钴锰酸锂正极材料的连续性生产设备。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种镍钴锰酸锂正极材料的连续性生产设备，依次相连的预热炉、纯化炉、渗锂池、雾化造粒器、氧化炉、旋风分离器、缓冲罐、清洗槽、干燥器，所述预热炉内装有第一推进螺杆，所述纯化炉内装有第二推进螺杆，所述旋风分离器与缓冲罐间、缓冲罐与清洗槽间分别通过提升机输送物料。
作为一个优选项，所述预热炉分为升温段和恒温段，所述第一推进螺杆分为相互独立旋转的升温推进螺杆、恒温推进螺杆，所述恒温推进螺杆可正转和反转。
作为一个优选项，所述升温段与所述恒温段长度比为1:(1-5)。
作为一个优选项，所述渗锂池外侧设置有加热装置，所述渗锂池内侧设置有陶瓷内衬。
作为一个优选项，所述雾化造粒器底部设有与所述渗锂池相连的返流管，所述雾化造粒器与所述氧化炉间设置有单向阀。
作为一个优选项，所述雾化造粒器顶部设置有由大管套小管组成的雾化造粒喷头，所述大管用于通入氩气，所述小管与所述渗锂池相连，用于送入镍钴锰酸锂溶液；所述雾化造粒喷头的下方设有反冲喷头，所述雾化造粒器底部侧边设有回流气管Ⅰ，所述大管、反冲喷头、回流气管Ⅰ通过管路与进气管连接，所述回流气管Ⅰ与所述反冲喷头间设置有第一鼓风机。
作为一个优选项，所述氧化炉侧壁上从上至下依次设有出气管、回流气管Ⅱ，所述出气管、所述回流气管Ⅱ通过气管与氧气管连接，所述出气管、所述回流气管Ⅱ之间的管路上设有第二鼓风机。
作为一个优选项，所述清洗槽内设置有由电机带动的搅拌桨，所述清洗槽顶部侧壁上从上至下依次设有进气口、进液口，所述清洗槽底部设置有排液口，所述排液口上方设置有滤布。
作为一个优选项，旋风分离器外侧设置有换热器Ⅰ，所述干燥器外侧设置有换热器Ⅱ，所述换热器Ⅱ与换热器Ⅰ间通过管路连接并设置有离心泵。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型采用熔融金属锂渗锂方式烧结，锂和前驱体粉料实现原子级别的接触混匀，烧结的材料内部锂元素分布均匀，有利于提高材料内部的一致性，可改善材料的化学成分、结构和性能，有利于三元材料性能的发挥，能明显改善制成的锂电池电化学性能。
2、本实用新型采用喷雾造粒的方式连续式生产，将进料、烧结、造粒、除杂、干燥工序集成在一套设备中，集成度高，人工干预少，有利于实现智能化生产，不同批次产品间一致性程度高。
3、制备得到的材料球形度高，振实密度大，有利于提升材料的比容量。同时可实现快速、大批量、连续式生产，生产能耗低，效率高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的连续性生产设备示意图；
图2是本实用新型的预热炉示意图；
图3是本实用新型的渗锂池示意图。
具体实施方式
参照图1-3，一种镍钴锰酸锂正极材料的连续性生产设备，依次包括预热炉1、纯化炉2、渗锂池3、雾化造粒器4、氧化炉5、旋风分离器6、缓冲罐7、清洗槽8、干燥器9。
预热炉1设置有由电机驱动的第一推进螺杆13，预热炉1分为升温段11和恒温段12，第一推进螺杆13分为相互独立旋转的升温推进螺杆131、恒温推进螺杆132，升温段11与恒温段12长度比为 1:(1-5)，升温段11内的升温推进螺杆131与恒温段内的恒温推进螺杆132分别由第一驱动电机101、第二驱动电机102驱动，第一驱动电机101与第二驱动电机102相互独立，使升温推进螺杆131与恒温推进螺杆132间相互独立旋转，驱动恒温推进螺杆132的第二驱动电机102可选用伺服电机，使恒温推进螺杆132实现正转和反转。
纯化炉2的进料口与预热炉1的出料口相连，纯化炉2的出料口与渗锂池3的进料口相连，纯化炉2内装有由电机驱动的第二推进螺杆14，纯化炉2上设有用于通入氩气的进气口和排出氩气的排气口。
渗锂池3为耐高温密闭容器，渗锂池3的进液管口低于液面，渗锂池3外侧设置有加热装置31，渗锂池3内侧设置有陶瓷内衬32。
雾化造粒器4顶部设置有由大管401套小管402的方式构成的雾化造粒喷头41，大管401用于通入氩气，小管402与渗锂池3相连，用于送入镍钴锰酸锂溶液；雾化造粒喷头41的下方设有反冲喷头42，雾化造粒器4底部侧边设有回流气管Ⅰ43，雾化造粒喷头41的大管401、反冲喷头42、回流气管Ⅰ43通过气管与进气管44通过相互连接，回流气管Ⅰ43与反冲喷头42间设置有第一鼓风机46；雾化造粒器4底部设置有返流管45，返流管45与渗锂池3的返流口相接；雾化造粒器4顶部的出料口与氧化炉5的进料口连接。
氧化炉5的进料口与雾化造粒器4出料口之间设置有单向阀404；氧化炉5侧壁上从上至下依次设有出气管51、回流气管Ⅱ52，出气管51、回流气管Ⅱ52通过气管与氧气管连接，出气管51、回流气管Ⅱ52之间设置有第二鼓风机53；氧化炉5顶部的出料口与旋风分离器6的的进料口连接。
旋风分离器6外侧设置有换热器Ⅰ61，旋风分离器6得到的固体物料由提升机10输送至缓冲罐7，缓冲罐7收集的物料通过提升机 10输送至清洗槽8内。
清洗槽8内设置有由电机带动的搅拌桨81，清洗槽8顶部侧壁上从上至下依次设有进气口83、进液口84，在清洗槽8底部设置有排液口85，排液口85上方设置有滤布82，清洗槽8的出料口与干燥器9顶部的喷头91相连。
干燥器9外侧设置有换热器Ⅱ92，该换热器Ⅱ92与换热器Ⅰ61 管路并设置有离心泵(93)，干燥器9的出料口设置在干燥器9底部。
以下结合实施例对一种镍钴锰酸锂正极材料的生产方法作进一步的详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种镍钴锰酸锂正极材料的生产方法，其采用上述所提供的一种镍钴锰酸锂正极材料的连续性生产设备，包括以下步骤：
(1)将粒径D50为8μm的镍钴锰氢氧化物投入预热炉的进料口中，预热至850℃，停留时间为5h，预热炉1中升温段11的升温推进螺杆131带动物料至恒温段12中，恒温段12的恒温推进螺杆132 每正转10min后反转8min，转速为5r/min，完成预热后的镍钴锰氢氧化物进入纯化炉2中。
(2)开启纯化炉2的进料阀门，关闭进气口、排气口、出料口阀门，预热炉1恒温推进螺杆132以60r/min的转速推动镍钴锰氢氧化物进入纯化炉2，关闭纯化炉2的进料口阀门；纯化炉2的第二推进螺杆14以10r/min推动镍钴锰氢氧化物向出料口方向运动，开启进气口和排气口阀门，通入氩气，使纯化炉2中氩气浓度不低于 99.95％后，关闭进气口和排气口进行纯化；完成纯化后，开启出料口，控制二推进螺杆14以60r/min推动物料向出料口方向运动，控制炉内温度保持为850℃。
(3)镍钴锰氢氧化物进入渗锂池3中，渗锂池3中持续有熔融单质锂，渗锂池3温度为850℃中，控制镍钴锰氢氧化物停留时间为15h，得到镍钴锰酸锂溶液。
(4)在雾化造粒器4中通入氩气，控制雾化造粒器4中氩气浓度不低于99.95％，关闭氩气，开启雾化造粒器4的第一鼓风机46，镍钴锰酸锂溶液通过雾化颗粒喷头41的小管402进入，并由通过雾化颗粒喷头41的大管401和反冲喷头42同时喷出高压气流进行雾化造粒，控制雾化造粒器4温度为800℃，镍钴锰酸锂颗粒停留时间为 20s。
(5)镍钴锰酸锂颗粒进入氧化炉5氧化，控制氧化炉5中氧气浓度不低于99.9％，控制氧化炉5温度为750℃，颗粒停留时间为20s。
(6)氧化后的镍钴锰酸锂颗粒进入旋风分离器6冷却分离，固体镍钴锰酸锂颗粒收集到旋风分离器6底部，经提升机10输送至缓冲罐7中。
(7)缓冲罐7中的固体镍钴锰酸锂颗粒累积到预设值时，关闭清洗槽8进料口阀门，开启进液口阀门，在清洗槽8中加入75％容积的水，开启提升机，将缓冲罐7的固体镍钴锰酸锂颗粒加入到清洗槽 8中，固液比为1:2，开启搅拌桨81，控制转速为300r/min，搅拌20min，开启排液口85和进气口83阀门，利用压缩空气的压力排空清洗槽8中的水，反复清洗多次至排出的水的pH＜9.5。
(8)关闭清洗槽8的进料口、排液口85、进液口84的阀门，开启清洗槽8的出料口，将溶液压送至干燥器9中，经干燥器9雾化喷头91喷出，控制干燥器9温度为120℃，颗粒停留时间为30s，干燥器9热量来源为冷却旋风分离换热器61所得，干燥后得到镍钴锰酸锂正极材料。
实施例2：
本实施例提供一种镍钴锰酸锂正极材料的生产方法，其采用上述所提供的一种镍钴锰酸锂正极材料的连续性生产设备，包括以下步骤：
(1)将粒径D50为15μm的镍钴锰氢氧化物投入预热炉1的进料口中，预热至950℃，停留时间为10h，预热炉1中升温段11的升温推进螺杆131带动物料至恒温段12中，恒温段12的恒温推进螺杆 132每正转10min后反转5min，转速为10r/min，完成预热后的镍钴锰氢氧化物进入纯化炉2中。
(2)开启纯化炉2的进料阀门，关闭进气口、排气口、出料口阀门，预热炉1恒温推进螺杆132以300r/min的转速推动镍钴锰氢氧化物进入纯化炉2，关闭纯化炉2的进料口阀门；纯化炉2的推进螺杆以300r/min推动镍钴锰氢氧化物向出料口方向运动，开启进气口和排气口阀门，通入氩气，使纯化炉2中氩气浓度不低于99.98％后，关闭进气口和排气口进行纯化；完成纯化后，开启出料口，控制纯化炉2推进螺杆以300r/min推动物料向出料口方向运动，控制炉内温度保持为950℃。
(3)镍钴锰氢氧化物进入渗锂池3中，渗锂池3中持续有熔融单质锂，渗锂池3温度为950℃中，控制镍钴锰氢氧化物停留时间为 3h，得到镍钴锰酸锂溶液。
(4)在雾化造粒器4中通入氩气，控制雾化造粒器4中氩气浓度不低于99.98％，关闭氩气，开启雾化造粒器4第一鼓风机46，镍钴锰酸锂溶液通过雾化颗粒喷头41的小管402进入，并由通过雾化颗粒喷头41的大管401和反冲喷头42同时喷出高压气流进行雾化造粒，控制雾化造粒器4温度为900℃，镍钴锰酸锂颗粒停留时间为10s。
(5)镍钴锰酸锂颗粒进入氧化炉5氧气，控制氧化炉5中氧气浓度不低于99％，控制氧化炉5温度为850℃，颗粒停留时间为10s。
(6)氧化后的镍钴锰酸锂颗粒进入旋风分离器6冷却分离，固体镍钴锰酸锂颗粒收集到旋风分离器6底部，经提升机10输送至缓冲罐7中。
(7)缓冲罐7中的固体镍钴锰酸锂颗粒累积到预设值时，关闭清洗槽8进料口阀门，开启进液口阀门，在清洗槽8中加入50％容积的水，开启提升机，将缓冲罐7的固体镍钴锰酸锂颗粒加入到清洗槽 8中，固液比为1:10，开启搅拌桨81，控制转速为60r/min，搅拌60min，开启排液口85和进气口83阀门，利用压缩空气的压力排空清洗槽8中的水，反复清洗多次至排出的水的pH＜8。
(8)关闭清洗槽8的进料口、排液口85、进液口84的阀门，开启清洗槽8的出料口，将溶液压送至干燥器9中，经干燥器9雾化喷头91喷出，控制干燥器9温度为105℃，颗粒停留时间为120s，干燥器9热量来源为冷却旋风分离换热器61所得，干燥后得到镍钴锰酸锂正极材料。
对比例
称取1000g镍钴锰氢氧化物(镍钴锰元素比例与应用实施例1相同)，加入442g碳酸锂，球磨5h，混合后的粉料盛装于匣钵中，将匣钵输送至传统辊道窑中，以850℃烧结15h，得到固相法制备的镍钴锰酸锂。
性能检测：分别以上述应用实施例1和对比例制得的镍钴酸锂为正极，以金属锂为负极，组装成电池，以1C倍率进行首次放电测试。结果显示，在1C倍率下，本实施例的镍钴锰酸锂正极材料的首次放电比容量比传统匣钵辊道窑烧结方法的高，对比实施例1的比容量为 182.5mAh/g，而对比例的比容量只有168.7mAh/g。
以1C倍率进行500次充放电循环测试。结果显示，本实施例的动力型镍钴锰酸锂正极材料的比容量经过500次循环后，比传统匣钵辊道窑烧结方法的高，实施例1的容量保持率为85.6％，而对比例的容量保持率只有74.7％。
根据上述原理，本实用新型还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。
