锂电材料烧结设备的应用研究

龙 纯， 王建业， 王世刚， 瞿海斌， 曾帅强

（湖南烁科热工智能装备有限公司， 湖南 长沙 410111）

引言

随着新能源汽车市场的快速增长，加上手机、电脑等智能终端的增长需求，锂电池等动力电池和储能电池得到高速发展。锂电正极和负极材料作为锂电池的主体材料（见表1 和表2），近年来的年出货量飞速增长，锂电材料生产设备也相应得到了快速发展。但由于生产厂家众多，竞争激烈，且技术更新快，在产能、节能和效率方面，对生产设备提出了更高的要求，这就要求设备厂商不断提供新设备以满足新技术要求。

表1 2017 年和2021 年正极材料国内年出货量对比表万t

表2 2016 年和2020 年负极材料国内年出货量对比表万t

1 现有设备和技术

正极三元材料的烧成是一个氧化过程，需要大量O2，而石墨负极的烧成需与O2隔绝，加入N2或Ar 等保护气体，现在大部分的正极材料（如LiFePO4、三元NCM、NCA）以及负极材料（天然石墨、人造石墨等）均采用辊道窑和推板窑烧结，烧结过程用匣钵装着物料，匣钵会造成热量损失（推板窑还有推板的热量损失），且匣钵上层物料和下层物料的气氛条件和温度条件都不相同，产品性能可能会受一定影响，同时实现自动上下料难度大、成本高。随着产能不断扩大，设备变得更大、更长，推板窑已不能满足使用要求。而回转炉具有产量大，能耗低，动态烧结，物料受热均匀，自动化程度高等特点，很多锂电材料厂家在寻求回转炉替代推板窑甚至辊道窑的可能。三元等锂电原材料具有酸性或碱性，有的烧结过程会产生NH3、Cl2等腐蚀气体，采用非金属内衬可以耐腐蚀，与物料摩擦不会产生磁性物质，在小型实验回转炉中使用整体非金属内筒（如石英、陶瓷等）进行烧结。部分设备厂商研制出内加热式回转炉，但由于价格高，还存在技术短板，没能在大生产中得到应用。

目前，空气氛回转炉在腐蚀性相对小的锂源（如Li2CO3）和正极材料前驱体（如Co3O4）的烧结中广泛应用，而负极材料的烧结大多需要在保护气体（N2或Ar等）中进行，有的还需要通入C2H2、CH4等反应气体。如果采用回转炉进行烧结，对炉管两端密封性要求较高。湖南烁科热工智能装备有限公司开发的全自动密封回转炉采用端面石墨环密封或多种结构组合密封，炉内氧含量（质量分数）可达100×10-6以内，在硅碳和硅氧负极材料烧结中试生产，如图1 所示。

2 现有设备技术壁垒

大多锂电材料生产厂家希望用回转炉替代推板窑的辊道窑，但采用回转炉烧结锂电材料，目前还存在技术难点有待解决。

2.1 内衬材料及镶嵌技术

为了增强炉管内壁的耐腐蚀和耐磨能力，有设备厂家尝试在内壁镶嵌非金属内衬（如陶瓷等）。但增加了内衬仍使用外部加热方式，热量损失大。内外壁膨胀量差别大，容易造成内衬脱落、温度控制误差大、炉内温度达不到要求等问题。

2.2 内加热技术

内衬内保温及内加热式回转窑成为了新的发展方向，目前有设备厂商研制了内衬内加热回转炉，采用内壁打孔穿电热丝，会被非金属内衬形成热隔阻。由于还存在内衬材料容易开裂脱落、整体炉内衬膨胀收缩缝问题以及内加热元件的安装、连接、维护、维修等问题，锂电材料生产厂家还未批量生产应用。

3 新设备的研制

3.1 炉体内衬材料及安装技术

1）内衬材料须具备耐酸碱腐蚀、耐高温稳定性等性能，相比其他材料，陶瓷具有耐高温、耐腐蚀等特点，但是陶瓷易碎，抗震动击打能力差，且不易安装。因此，现在有设备厂商联合陶瓷厂家研发新型复合陶瓷材料，取得了一定的进展，但仍未大量应用，效果有待验证。

2）安装技术也各不相同，本设备保温材料采用模块化，内衬采用片状复合陶瓷，设置有安装卡柱，采用沿长度方向插入式安装的方法，这样安装相对方便，且内层温高，膨胀系数小，外层温度低，膨胀系数大，内外整体膨胀量相差不大。因此，在安装时以内衬的膨胀量为主要考虑因素，如图2 所示。

3.2 电内加热技术

内加热在大型水泥、矿山、石灰窑中应用广泛，但由于是采用煤粉或燃气加热，不宜在锂电材料烧结中应用。这里主要介绍电内加热，其技术难点是加热元件的布置和安装，另外就是大功率电刷连接内部旋转的加热元件和外部电源问题。目前内加热有两种形式，一种是将加热元件放置在保温材料中，但会产生维修和更换困难。本设备采用另一种形式是用支架安装加热元件，每两个支架间安装加热元件的多少来控制温度，同时进行温度分区，从每个温区炉壁引出热偶测量温度，从而控制温度，形成温度曲线，保证生产工艺要求。炉体两端设置有电极座，加热元件通过电极电刷与电极座相连，再通过电极座接入电源。如图3 所示。

3.3 设备技术特点

内衬内加热内保温式回转炉采用了内加热形式，加热元件采用硅碳棒或硅钼棒，外部可加陶瓷套管加以保护，最高温度可达1 500 ℃。设备采用支架安装加热元件，使加热元件直接对材料加热，解决了内衬隔热问题，还增加了内衬热反射，大大降低了能耗。据推算，同占地面积的在同等材料和工序情况下，回转炉烧结产能可达辊道窑推板窑的2～3 倍，单位能耗仅为2/3 左右。图4 为湖南烁科热工智能装备有限公司研制的内衬内加热内保温式回转炉结构示意图。内衬直接与保温材料镶嵌，解决了内衬安装问题，非金属内衬不会引入磁性物质，能满足锂电材料生产要求。

4 应用前景

随着锂电行业的迅速发展，锂电池材料的烧结设备将向着节能、高效和自动化方向发展。湖南烁科热工智能装备有限公司研制的内衬内加热内保温式回转炉解决了目前回转炉存在的问题，再配合工艺生产要求，加上回转炉设备不可替代的独特优势，相信这种回转炉将会在锂电材料烧结中得到广泛应用。