一種電池硅基類負極材料制備罐和制備爐窯及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電池材料冶煉裝置，尤其涉及一種電池硅基類負極材料制備罐和制備爐窯及制備方法。
【背景技術】
[0002]鋰電池具有體積小、容量大、壽命長、無記憶性、可以反復充放電等優點，被廣泛運用在通訊設備、IT數碼、電動工具等行業。隨著國家大力推廣新能源電動汽車，鋰電池也越來越多的被運用在電動汽車上。目前電動汽車的制造瓶頸就在鋰電池環節，這一環節存在著成本高、續航里程短、充電不易、充電時間長等問題。從技術角度來看，鋰電池的關鍵在電池材料，電池材料的關鍵在負極，目前已經實現商業化的負極材料為碳負極類，細分為天然石墨、人造石墨、中間相三小類，其最大比容量在340?380mAh/g范圍，很難滿足電動汽車行駛里程的需求。而硅和硅基類負極材料的比容量高達4000mAh/g，是碳素材料的10倍，因此研宄開發硅和硅基類負極材料大有前途，迫在眉睫。S1是一種較好的電池負極材料，國內常用的制備方法是:將S12含量為99.5%的二氧化硅粉末和煤瀝青粉末混合，C/S1 2混合摩爾比為2.0，混合物經減壓加熱處理，其溫度為1600°C，壓力為1.013 kPa，經還原反應生成S1蒸氣，通入氬氣，將S1蒸氣凝結輸送，制成0.1 μ m以下的一氧化娃粉末。這種方法需要極高溫度，配套設施條件苛刻，現實中成本費用極高，制取較難。目前，國內有些地方在實驗室內利用電加熱方式加熱到1350°C，壓力為IPa?5 Pa,可以少量制備，但其囿于設備體積和電加熱布置的局限，產量很小，而且不穩定，成本極高，產品基本用于研宄開發，其制備方式很難推廣到規模化生產。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提出一種電池硅基類負極材料制備罐和制備爐窯及制備方法的技術方案；采用新式爐窯，能夠規模化生產S1，實現制備低成本、高品質、穩定可靠、可自動化連續生產。
[0004]為了實現上述目的，本發明的技術方案是:一種電池硅基類負極材料制備罐，包括加熱罐體、設置在加熱罐體之上的操作罐體、設置在加熱罐體之下的排渣口、芯筒、結晶器，結晶冷卻水套；所述加熱罐體和操作罐體是真空罐體，所述芯筒設置在所述加熱罐體內，結晶器設置所述操作罐體中，結晶器位于芯筒的上方，環繞操作罐體設有所述結晶冷卻水套，在操作罐體上設有真空管道接口和裝料口 ；所述加熱罐體和操作罐體的真空度為IPa?5Pa，所述加熱罐體采用添加了稀土元素的耐熱鋼離心鑄造而成，在加熱罐體的外壁噴涂耐高溫防腐陶瓷類涂層，加熱罐體是耐熱溫度不低于1400°C的罐體；在芯筒與結晶器之間設有擋火板，在操作罐體上設有保護氣體接口。
[0005]更進一步，所述結晶冷卻水套是通入不同水溫的雙回路冷卻水套；結晶冷卻水套上設有第一冷卻水進口、第一冷卻水出口和第二冷卻水進口、第二冷卻水出口，所述第一冷卻水進口和第一冷卻水出口連通結晶冷卻水套的內腔，所述第二冷卻水進口和第二冷卻水出口連通一條設置在結晶冷卻水套的內腔的冷卻水管路。
[0006]更進一步，所述加熱罐體材料是Gr25Ni20耐熱鋼，在加熱罐體的材料中添加有總含量不高于0.01%的鈰或鑭；加熱罐體外壁的陶瓷類涂層是采用等離子法噴涂的納米級氧化鋯涂層。
[0007]更進一步，所述擋火板采用莫來石質澆注料砌制而成，在擋火板內部設有耐熱鋼骨架，擋火板與罐體之間留有環形氣體溢散通道。
[0008]一種電池硅基類負極材料制備爐窯，所述制備爐窯是采用權利要求1所述的電池硅基類負極材料制備罐進行硅基類負極材料制備的爐窯，所述制備爐窯設有爐膛、燃燒器，并與制備罐相結合布置，對制備罐進行加熱促其內部物料充分反應同時滿足制備罐內裝料及卸渣等操作工藝；按照生產工藝操作的功用在爐體垂直方向上劃分為三層區域進行布局，中部區域為燃燒控制區域，上部區域是裝料出料以及真空冷卻等工藝操作區域，下部區域是卸渣清理區域，每層區域為獨立空間但可相互連通；
所述爐膛是制備爐窯的燃燒控制區，爐膛上方的爐頂以上的區域是進行裝料、出料、抽取真空、冷卻的所述操作區，爐膛下方的爐底以下的區域是所述卸渣清理區；在所述制備爐窯中設有多個所述制備罐，制備罐豎直設置；制備罐的所述加熱罐體位于制備爐窯的爐膛中，處于所述燃燒控制區；所述操作罐體從制備爐窯的上部伸出爐膛，處于所述操作區；所述排渣口從制備爐窯的下部伸出爐膛，處于所述卸渣清理區；
所述制備罐的真空管道接口連接真空管道，所述制備罐的結晶冷卻水套連接冷卻水管道，所述制備罐的保護氣體接口連接設有閥門的保護氣體管道。
[0009]更進一步，所述制備爐窯設有長方體的爐膛，在制備爐窯寬度方向的兩側壁上設有所述燃燒器；
所述燃燒器是HTAC燃燒器，有多個燃燒器在制備爐窯的兩側壁上兩兩對應設置，每個燃燒器的燒嘴設有六個高溫空氣噴口和兩個燃氣噴口，六個高溫空氣噴口為2 X 3矩形布置，高溫空氣噴口設有向爐膛內開放的擴散角，兩個燃氣噴口位于高溫空氣噴口的居中位置；爐墻內的燃氣通道采用氧化鋁陶瓷管。
[0010]更進一步，所述真空管道設置有預抽真空管道和主抽真空管道，預抽真空管道和主抽真空管道分別連接預抽真空機組和主抽真空機組；每個制備罐的真空管道接口通過真空控制閥門分別與主抽真空管道和預抽真空管道相連。
[0011]更進一步，所述連接制備罐上結晶冷卻水套的冷卻水管道是雙回路冷卻水管道，所述雙回路冷卻水管道包括第一冷卻水回路和第二冷卻水回路。
[0012]一種電池硅基類負極材料制備方法，所述方法是采用權利要求5所述的一種電池硅基類負極材料制備爐窯進行硅基類負極材料制備的方法；其特征在于，所述方法的步驟包括:
a.對原料進行磨碎處理，原料中包括S12和Si，S12和Si的摩爾比為1:1，磨碎處理后的原料粒度等級高于100目；
b.對由步驟a處理后的原料進行充分混合，將混合后的原料壓制成杏核形狀；
c.加熱制備爐窯，輪換燃燒在制備爐窯的兩側壁上兩對應的燃燒器，使排出爐膛的煙氣溫度低于150°C，使制備爐窯的爐膛溫度穩定保持在1200°C?1400°C ；
d.打開制備罐的裝料口，放入芯筒； e.將原料裝入制備罐中，使原料位于所述加熱罐體與芯筒之間的空間中；
f.將擋火板和結晶器放入制備罐中；
g.關閉制備罐的裝料口，使制備罐處于密封狀態；
h.操作真空控制閥門使預抽真空管道連通操作罐體，當操作罐體和加熱罐體內的真空壓力低于IkPa之后，操作真空控制閥門使主抽真空管道連通操作罐體，使操作罐體和加熱罐體內的真空壓力達到并保持在IPa?5Pa ；
1.使第一冷卻水回路通入45°C?55°C的冷卻水，連續運行；在冷卻作用下，制備罐內物質反應后生成的氣態S1在結晶器內壁冷凝成固態形成S1結晶體；
j.當制備罐內的物質反應完成后，切斷操作罐體與真空管道的連接，緩慢開啟保護氣體管道的閥門，向操作罐體內通入保護氣體，同時使第二冷卻水回路持續通入20°C?30°C的冷卻水；
k.打開制備罐的裝料口，取出結晶器。
[0013]更進一步:在步驟b中，將混合后的原料壓制成粒度為15mm?40_的杏核形狀；在步驟c中，使制備爐窯的爐膛溫度穩定保持在1350°C?1400°C;在步驟j中，向操作罐體內通入的保護氣體包括常溫常壓的氮氣或其他惰性氣體。
[0014]本發明的有益效果是:實現了在高溫、高真空環境下規模化制備S1，制備低成本、穩定可靠，制備成品品質尚，可進彳丁自動化連續生廣。
[0015]下面結合附圖和實施例對本發明作一詳細描述。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明電池硅基類負極材料制備罐結構圖；
圖2是本發明電池硅基類負極材料制備爐窯剖面圖；
圖3是本發明電池硅基類負極材料制備爐窯的燃燒器布置圖；
圖4是本發明電池硅基類負極材料制備爐窯的真空管道示意圖，圖中僅畫出連接一行制備罐的真空管道，其余各行真空管道結構相同；
圖5是本發明電池硅基類負極材料制備爐窯的冷卻水管道和保護氣體管道示意圖，圖中僅畫出連接一行制備罐的冷卻水管道和氮氣，其余各行冷卻水管道和保護氣體