六列三元材料烧结辊道炉的研制

伍红平 刘译升 奚思

锂离子电池商业化前景最好的二次电池，其中三元材料是近年来的研究热点之一。本文从三元材料的烧结工艺出发，研发一款六列辊道炉，介绍了其炉膛、置换室、冷却、进排气等关键结构设计。该辊道炉可实现三元正极材料烧结工艺的连续稳定量产，具备广阔的应用前景。

辊道炉;三元材料;烧结设备;炉膛;窑炉结构

锂离子电池具有电压高、比容量大、无记忆性、自放电率低、快速充放电等优点，是商业化前景最好的二次电池。在锂电池中正极材料是其核心材料，正极材料为整个电池提供锂源，决定了电池的电性能和成本。目前已经商业化的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等。其中三元材料综合了几种材料的优点且具备协同性，具有良好的应用前景。

根据镍、钴、锰的原子比例不同，商业化的三元材料产品型号有111、523、622、811等。一般来说，镍含量越高，电池的能量密度越高，成本越低，同时其碱性更高，对烧结设备的抗腐蚀能力要求也更高。

高温烧结是三元材料制成的重要步骤之一，常用的烧结设备有箱式炉、推板炉、辊道炉、回转炉等，其中以辊道炉为连续批量生产的最优方案。目前国内高镍三元烧结设备仍以国外进口或合资企业制造为主，以双列、四列辊道炉为主。为适应目前三元材料市场需求，开发六列超大产能辊道炉迫在眉睫。

一、三元材料烧结工艺

三元材料烧结反应是固相反应，在一定温度下，前驱体和锂源发生固相反应，经过一定时间的烧结，得到完整晶型的层状结构的三元材料。烧结温度、烧结气氛和烧结时间是烧结工艺的最重要的因素。常用的锂源有碳酸锂和单水氢氧化锂，前驱体和锂源在氧气环境中烧结产生三元材料，同时产生大量水汽及CO2（锂源为碳酸锂时）。不同的三元材料烧结工艺温度不同，烧结环境所需氧气浓度也不同。

二、设备主要构成及参数

该辊道炉主要由炉膛、炉体、传动系统、置换室、降温冷却系统、进排气系统及全自动控制系统等构成。其示意图如图1所示，其中加热炉体和冷却炉体采用标准模块设计，可进行自由组合，以满足不同产能、工艺及厂房大小。

三、设备关键技术点

三元材料，尤其是高镍三元材料对其烧结的设备的性能要求较高，如：（1）材料的强碱性对设备的防腐性能要求高;（2）為保证烧结物料性能的一致性，炉内截面温度均匀性较高;（3）要保证烧结过程中产生的大量水汽及时排出;（4）在保证足够的氧分压以促进烧结，同时从成本上考虑需尽量降低氧气耗量。以下从设备的主要组件出发，优化其设计，使其满足要求。

1.炉膛结构

三元材料烧结过程为氧化反应，其烧结过程中会产生大量水，并挥发碱性物质，对炉膛材料等提出了更高的抗碱性腐蚀要求。综合考虑成本和材料的抗腐蚀性能，炉膛内层使用氧化铝空心球砖和莫来石砖砌筑，炉膛外层使用陶瓷纤维板及微孔纳米绝热板。此结构保证了炉膛内层材料的抗腐蚀性能，同时由于所用材料热容小、传热系数低，能有效降低热量损失、减小炉膛材料自身的蓄热量，降低窑炉的能耗。

采用了拱顶结构，能有效及时的排出烧结过程产生的水汽、CO2（锂源为碳酸锂时）及其他排出物。相对于平顶结构，拱顶结构更有利于辐射传热，提高炉膛内温度的均匀性，提高物料的烧结性能。

在窑炉的升温区，有大量水分排出，升温区炉膛外层使用憎水型陶瓷纤维板。且在底部设计有排水盒，保证冷凝水及时排出，防止其对炉膛材料的侵蚀。炉膛结构如所图 2示。

2.进口置换室结构

进口置换室由两道密封闸门分割成两个独立的置换空间，每个置换空间包含独立的进气、排气及传动系统。匣钵由进口置换室逐级置换后进入炉膛，置换室起到了如下作用：（1）保证了炉内氧含量的稳定，是物料烧结反应有足够的氧分压;（2）减少炉内气体外泄，降低氧气耗量;（3）防止烧结排出物及挥发物外泄，保证了厂房环境安全。

前文所述三元材料烧结会在升温去产生大量水汽，部分水汽会在进口置换室冷凝并回滴到物料上，造成物料中的前驱体和锂源混合不均匀，影响烧结后的物料性能。为解决此问题，除在窑炉进口设计有气幕进行水汽阻隔外，还将进口置换室顶部盖板设计为拱顶形式，使冷凝水沿盖板流下，避免其滴入物料。此外，在置换室底部设计有排水漏斗及阀门，冷凝水可及时通过阀门排出。进口置换室结构简图如图 3所示。

3.冷却结构设计

该辊道炉冷却采用了风冷换热和水冷换热两种冷却方式结合的结构。其中风冷换热由碳化硅风管进行换热，通过风机强制对流加速换热效率。水冷冷却由螺旋扁管进行换热，螺旋扁管增加了冷却水的湍流程度，提高换热效率。较传统的水冷缸套冷却或者翅片冷却方式，螺旋扁管在保证换热效率的前提下，避免了炉腔内水道的焊接，避免了焊缝易被侵蚀从而导致漏水的问题。

组合使用风冷和水冷两种冷却方式，其中风冷靠近加热区，水冷靠近窑炉出口，在保证冷却效果的前提下，可有效避免炉膛内水汽过早遇到冷却水管产生冷凝。

4.进排气系统设计

三元材料烧结过程需要氧气参与反应，因此需要足够的氧分压来保证物料的烧结。在物料批量烧结工艺中，需要通过增加氧气进气量和增大排气量来稀释反应产生的废气，从而保证氧气浓度。

进气系统设计为氧气和空气双管道进气，其中氧气进气的主要目的是维持炉内的氧气浓度，保证足够的氧分压;空气进气主要起到稀释反应产生的废气使其及时被排出。氧气管道上的支路连接炉体上的侧面进气管，空气管道上的支路连接炉体上的底部进气管，氧气主管道与空气主管道通过蝶阀连接，两者可实现独立进气或互通。由此可实现三种不同工况：①底部进空气，侧面进氧气;②底部和侧面全部进空气;③底部和侧面全部进氧气。针对不同的物料，其烧结环境所需要的氧气浓度不同，此进气系统可通过调节氧气和空气的进气比例，使其满足炉内气氛要求，并减少氧气耗量。所有进气在进入炉膛钱先经过炉膛保温层内预热气盒进行预热，减小进气對炉内温度场的扰动。

窑炉排气设计在炉顶，烟囱为L型结构，防止废气物掉入物料。单个烟囱与主排气管道采用非直接连接方式，保证了炉内炉压稳定。通过调节各支路阀门大小，实现废气及时排出。

四、总结

本文从三元材料烧结工艺出发，针对炉膛、置换室、冷却、进排气等关键结构对六列三元辊道炉做出了优化设计，其具备以下几个方面的优势：

（1）可连续自动化生产（需配合自动线），产能大，单位能耗低;

（2）针对三元烧结工艺所设计，在炉膛温度均匀性、防冷却水回滴等关键点作了技术改进，保证了烧结物料性能的一致性;

（3）工艺适应性强，可根据不同三元材料的烧结特性进行工艺调整;

（4）模块化设计，可根据不同的需求进行组合。

六列三元烧结辊道炉的研发，能较好的解决市场对大产能、高稳定性三元材料烧结设备的需求，具备很好的社会、经济效益前景。

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