鋰電材料燒結設備的應用研究

龍 純， 王建業， 王世剛， 瞿海斌， 曾帥強

（湖南爍科熱工智能裝備有限公司， 湖南 長沙 410111）

引言

隨著新能源汽車市場的快速增長，加上手機、電腦等智能終端的增長需求，鋰電池等動力電池和儲能電池得到高速發展。鋰電正極和負極材料作為鋰電池的主體材料（見表1 和表2），近年來的年出貨量飛速增長，鋰電材料生產設備也相應得到了快速發展。但由于生產廠家眾多，競爭激烈，且技術更新快，在產能、節能和效率方面，對生產設備提出了更高的要求，這就要求設備廠商不斷提供新設備以滿足新技術要求。

表1 2017 年和2021 年正極材料國內年出貨量對比表萬t

表2 2016 年和2020 年負極材料國內年出貨量對比表萬t

1 現有設備和技術

正極三元材料的燒成是一個氧化過程，需要大量O2，而石墨負極的燒成需與O2隔絕，加入N2或Ar 等保護氣體，現在大部分的正極材料（如LiFePO4、三元NCM、NCA）以及負極材料（天然石墨、人造石墨等）均采用輥道窯和推板窯燒結，燒結過程用匣缽裝著物料，匣缽會造成熱量損失（推板窯還有推板的熱量損失），且匣缽上層物料和下層物料的氣氛條件和溫度條件都不相同，產品性能可能會受一定影響，同時實現自動上下料難度大、成本高。隨著產能不斷擴大，設備變得更大、更長，推板窯已不能滿足使用要求。而回轉爐具有產量大，能耗低，動態燒結，物料受熱均勻，自動化程度高等特點，很多鋰電材料廠家在尋求回轉爐替代推板窯甚至輥道窯的可能。三元等鋰電原材料具有酸性或堿性，有的燒結過程會產生NH3、Cl2等腐蝕氣體，采用非金屬內襯可以耐腐蝕，與物料摩擦不會產生磁性物質，在小型實驗回轉爐中使用整體非金屬內筒（如石英、陶瓷等）進行燒結。部分設備廠商研制出內加熱式回轉爐，但由于價格高，還存在技術短板，沒能在大生產中得到應用。

目前，空氣氛回轉爐在腐蝕性相對小的鋰源（如Li2CO3）和正極材料前驅體（如Co3O4）的燒結中廣泛應用，而負極材料的燒結大多需要在保護氣體（N2或Ar等）中進行，有的還需要通入C2H2、CH4等反應氣體。如果采用回轉爐進行燒結，對爐管兩端密封性要求較高。湖南爍科熱工智能裝備有限公司開發的全自動密封回轉爐采用端面石墨環密封或多種結構組合密封，爐內氧含量（質量分數）可達100×10-6以內，在硅碳和硅氧負極材料燒結中試生產，如圖1 所示。

2 現有設備技術壁壘

大多鋰電材料生產廠家希望用回轉爐替代推板窯的輥道窯，但采用回轉爐燒結鋰電材料，目前還存在技術難點有待解決。

2.1 內襯材料及鑲嵌技術

為了增強爐管內壁的耐腐蝕和耐磨能力，有設備廠家嘗試在內壁鑲嵌非金屬內襯（如陶瓷等）。但增加了內襯仍使用外部加熱方式，熱量損失大。內外壁膨脹量差別大，容易造成內襯脫落、溫度控制誤差大、爐內溫度達不到要求等問題。

2.2 內加熱技術

內襯內保溫及內加熱式回轉窯成為了新的發展方向，目前有設備廠商研制了內襯內加熱回轉爐，采用內壁打孔穿電熱絲，會被非金屬內襯形成熱隔阻。由于還存在內襯材料容易開裂脫落、整體爐內襯膨脹收縮縫問題以及內加熱元件的安裝、連接、維護、維修等問題，鋰電材料生產廠家還未批量生產應用。

3 新設備的研制

3.1 爐體內襯材料及安裝技術

1）內襯材料須具備耐酸堿腐蝕、耐高溫穩定性等性能，相比其他材料，陶瓷具有耐高溫、耐腐蝕等特點，但是陶瓷易碎，抗震動擊打能力差，且不易安裝。因此，現在有設備廠商聯合陶瓷廠家研發新型復合陶瓷材料，取得了一定的進展，但仍未大量應用，效果有待驗證。

2）安裝技術也各不相同，本設備保溫材料采用模塊化，內襯采用片狀復合陶瓷，設置有安裝卡柱，采用沿長度方向插入式安裝的方法，這樣安裝相對方便，且內層溫高，膨脹系數小，外層溫度低，膨脹系數大，內外整體膨脹量相差不大。因此，在安裝時以內襯的膨脹量為主要考慮因素，如圖2 所示。

3.2 電內加熱技術

內加熱在大型水泥、礦山、石灰窯中應用廣泛，但由于是采用煤粉或燃氣加熱，不宜在鋰電材料燒結中應用。這里主要介紹電內加熱，其技術難點是加熱元件的布置和安裝，另外就是大功率電刷連接內部旋轉的加熱元件和外部電源問題。目前內加熱有兩種形式，一種是將加熱元件放置在保溫材料中，但會產生維修和更換困難。本設備采用另一種形式是用支架安裝加熱元件，每兩個支架間安裝加熱元件的多少來控制溫度，同時進行溫度分區，從每個溫區爐壁引出熱偶測量溫度，從而控制溫度，形成溫度曲線，保證生產工藝要求。爐體兩端設置有電極座，加熱元件通過電極電刷與電極座相連，再通過電極座接入電源。如圖3 所示。

3.3 設備技術特點

內襯內加熱內保溫式回轉爐采用了內加熱形式，加熱元件采用硅碳棒或硅鉬棒，外部可加陶瓷套管加以保護，最高溫度可達1 500 ℃。設備采用支架安裝加熱元件，使加熱元件直接對材料加熱，解決了內襯隔熱問題，還增加了內襯熱反射，大大降低了能耗。據推算，同占地面積的在同等材料和工序情況下，回轉爐燒結產能可達輥道窯推板窯的2～3 倍，單位能耗僅為2/3 左右。圖4 為湖南爍科熱工智能裝備有限公司研制的內襯內加熱內保溫式回轉爐結構示意圖。內襯直接與保溫材料鑲嵌，解決了內襯安裝問題，非金屬內襯不會引入磁性物質，能滿足鋰電材料生產要求。

4 應用前景

隨著鋰電行業的迅速發展，鋰電池材料的燒結設備將向著節能、高效和自動化方向發展。湖南爍科熱工智能裝備有限公司研制的內襯內加熱內保溫式回轉爐解決了目前回轉爐存在的問題，再配合工藝生產要求，加上回轉爐設備不可替代的獨特優勢，相信這種回轉爐將會在鋰電材料燒結中得到廣泛應用。