一种磷酸铁锂正极材料制备工艺及装置制造方法及图纸

一种磷酸铁锂正极材料制备工艺及装置，工艺包括：将磷酸铁锂原料纳米化均化的步骤；纳米化原料高温反应所生成的物料经冷却塔冷却的步骤；冷却后的物料颗粒均化的步骤；其中，纳米化均化是指将原料粉碎成0.1‑100nm大小的颗粒，纳米化原料高温反应为连续式反应。1）本工艺采用连续高温固相法生产磷酸铁锂，连续在螺杆式反应器中输送的物料提高了热能利用率，且相比传统方式，原料混合均匀性好，物料反应均匀；2）纳米化均化的原料提升了正极材料的充放电效率和稳定性3）本装置采用螺杆式反应器代替传统的间歇式加热设备（比如窑炉），降低了耗能，且反应稳定性好。

Preparation and equipment of a lithium iron phosphate cathode material

A process and apparatus for preparing lithium iron phosphate cathode material, preparation process includes: lithium iron phosphate materials nano homogenization steps; nano material generated by the high temperature reaction material is cooled by the cooling tower steps; particle cooling after homogenization step; the nano homogenization refers to the raw materials crushed into 0.1 100nm size particles, nano material with high temperature reaction for continuous reaction. 1) the process using continuous high temperature solid phase method production of lithium iron phosphate, continuous in screw type reactor in delivery of materials to improve the heat utilization ratio, and compared to the traditional way of mixing uniformity, uniformity of material reaction; 2) nano materials are improved as cathode materials for charge discharge efficiency and stability of 3 the intermittent heating equipment) the device adopts screw type reactor instead of the traditional (such as kiln), reduce energy consumption, and good stability.

【技术实现步骤摘要】
一种磷酸铁锂正极材料制备工艺及装置
本专利技术涉及磷酸铁锂正极材料制备
，尤其是涉及一种磷酸铁锂正极材料制备装置，还涉及该材料的制备工艺。
技术介绍
近年来，随着人们对环保问题的逐步重视，国家对环保的要求不断提高，新能源汽车和储能市场迅速发展，对电池的高安全性、高一致性、高合格率和低制造成本提出了更高的要求。作为锂离子电池的正极材料，钴酸锂、锰酸锂及其衍生物己经不同程度的得到了商业化。当然，对于传统锂离子电池正极材料的缺陷，人们一直在致力研究不断改良性能，但是，对于电动汽车和高负载电池来说，电池的利用率、正极材料的价格以及对环境的破坏能力都是非常重要的因素。因此，作为最有发展前景的锂离子电池正极材料，磷酸铁锂由于具有高比容量、循环性能良好、安全性好、成本低廉、无污染等特点，吸引了大量学者和行业界的关注，也是新一代锂离子电池正极材料重要品种。LiFePO4为橄榄石型结构，为正交晶系，属Pbmn空间群，Fe与Li形成FeO6和LiO6八面体，P形成PO4四面体。与c轴平行的Li+的为连续直线链，可以沿着c轴形成二维扩散运动，自由地脱出或嵌入。理论容量为170mAh/g，而实际容量仅有理论容量的81％左右。具有价格低廉、电化学性能好、对环境友好无污染等优点。而大多数研究人员对磷酸铁锂的研究主要集中在三个方面：1.为了提高磷酸铁锂的导电性所采取的措施：主要有碳包覆和金属离子掺杂。2.为了提高锂离子的扩散速度，从而改变充电速度所采取的措施：需要控制颗粒的粒径。3.为了控制纯度所做的措施：需要在反应过程中加惰性气体保护，控制反应温度，较低的反应温度不仅使成品粒径小，三价铁含量低，而且可以避免的形成。磷酸铁锂正极材料的制备方法通常有固相法和液相法两种，由于液相法会造成大量的工业废水，所以固相法是最常见工业化的方法。固相法又可以分为高温固相法、碳热还原法和铁红法等种种不同的方法，由于高温固相法具有原料价格低，便于操作等优势，是很多工厂的选择。传统的高温固相法工艺比较落后，包括：原料混料——原料研磨——焙烧——中间品研磨——筛分——碳包覆——焙烧——成品研磨——成品筛分——产品等工艺流程。上述工艺中，原料混料和均化一般用的是高速混合机，高速混合机有它的优势，但是间歇式的操作容易造成批次间的不稳定和同一批次的不完全均匀。原料混合不均匀造成反应不均匀，产品混合不均匀造成产品电化学性能差。而电化学性能是衡量正极材料优劣的一个很重要的指标。焙烧用各种形式的电阻炉如辊道窑、推板窑、回转炉等设备。焙烧炉：1)通过热风传热，传热洗漱仅20千卡/m3.h.℃,热效率极低，一般情况下仅为50％，因此能耗高；2)投资大，年产5000吨磷酸铁锂至少需要4条加热炉生产线，投资3000万元以上；3)保护气用量大，正极材料在托盘上，炉内没有混合作用，对材料的均匀性产生很大影响，从而影响到其电化学性能和最终产品的比容量；4)由于产气量大，材料的压实密度无法保证，影响到产品的使用性能，大量的气体无法回收，直接排放至大气中去，造成大气的污染。研磨一般使用气流磨、球磨机、纳米砂磨机等设备；而研磨用的设备粉碎刀要用到锆或者氧化锆，粉碎的过程中也要用到锆珠，整体价格高昂。球磨后的粒径为2μm左右。而磷酸铁锂平均粒径变长6.63nm，而粒径2000nm的原料很难均匀混合，所以采用固相法，原料粒径越大，合成的磷酸铁锂材料的实际容量越低。球磨机处理产品带来最大的问题就是产品粒径分布宽，很大一部分产品因为粒径不合适就被废弃了，导致产品的成品率低，成本进一步增加。筛分一般用振动筛，振动筛上残留的上一批次的产品是造成产品不均匀的又一个缺陷。磷酸铁锂原料的种类方面多种多样。刘旭恒等采用FeC2O4·2H2O、Fe2O3、FeCl3等原料为铁源合成LiFePO4/C的放电比容量分别是152.2mAh/g，133.8mAh/g和122.5mAh/g。目前国内普遍采用磷酸铁合成磷酸铁锂，而用磷酸铁反应必须加入过量的碳源，采用磷酸铁的原因之一是因为磷酸铁可以做到纳米级，从而使产品的比容量增大。丛长杰等利用液相沉淀法合成纳米磷酸铁，并以此为铁源，通过碳热还原法制备粒径均匀的纳米球形磷酸铁锂正极材料。材料首次放电比容量达到161.8mAh/g，库伦效率为98.3％。刘等将CH3COOLi·2H2O、Fe2O3、Fe、NH4H2PO4以3：1：1：3的比例和适量柠檬酸混合，在氢气条件下通过传统的固相合成法合成了50—70nm的LiFePO4/C，首次充放电容量达到了162.4mAh/g。Huang等将碳凝胶与乙酸锂、乙酸亚铁、磷酸二氢铵混合，经分子水平混合，经过两步热处理，最终得到LiFePO4/C复合材料，0.1C倍率下放电比容量163mAh/g，且循环800次后容量衰减仅有8％。江正福等采用溶胶法合成纳米级LiMn0.9Fe0.1PO4，其充电比容量174mAh/g，放电比容量160mAh/g，平均粒径95nm。陈宏艳的研究表明：原料粒径越小，充放电比容量越高，充放电效率也越高。但她的研究限于微米级原料。以上事例表明：正极材料原料纳米化、均匀化可以有效提高正极材料的充放电容量和稳定性。这是因为原料粒径越小，电性能越好。纳米级颗粒具有特殊的性质，比表面积更高，颗粒间接触更好，彼此间混合更均匀。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种磷酸铁锂正极材料制备工艺，该工艺采用纳米均化原料且实现了连续式高温固相反应，本专利技术还提供了一种实现上述制备工艺的装置，采用的技术方案是：一种磷酸铁锂正极材料制备工艺，其特征在于：所述制备工艺包括：将磷酸铁锂原料纳米化均化的步骤；纳米化原料高温反应所生成的物料经冷却塔冷却的步骤；冷却后的物料颗粒均化的步骤；其中，纳米化均化是指将原料粉碎成0.1-100nm大小的颗粒，纳米化原料高温反应为连续式反应。本专利技术的技术特征还有：所述连续式反应在螺杆式反应器中进行，螺杆式反应器的反应温度为600-750℃。本专利技术的技术特征还有：原料铁源为FeC2O4·2H2O,FeC2O4或(CH3COO)2Fe，原料磷源为NH4H2PO4或(NH4)2HPO4，原料锂源为Li2CO3，LiOH或Li3PO4。本专利技术的技术特征还有：所述磷酸铁锂原料纳米化均化是指将原料混合均匀，并将所有混合后的原料均处理成粒径0.1-100nm的颗粒。本专利技术的技术方案还有：一种用于上述制备工艺的装置，所述装置包括原料均化部分、高温反应冷却部分和产品均化部分，其特征在于：所述高温反应冷却部分包括螺杆式反应器，所述螺杆式反应器连接冷却塔。本专利技术的技术特征还有：所述螺杆式反应器为两台以上螺杆式反应器串联而成的多级螺杆式反应器。本专利技术的技术特征还有：所述原料均化部分包括纳米均化塔，所述纳米均化塔与原料计量槽连接，所述纳米均化塔还与旋流器连接，所述纳米均化塔的输出端连接中间储罐，所述中间储罐的出口连接板框压滤机，所述板框压滤机连接输料螺杆的料斗，所述输料螺杆还连接脱溶剂机，所述脱溶剂机连接混合原料仓。本专利技术的技术特征还有：所述脱溶剂机还连接冷凝器，所述冷凝器连接溶剂接收罐，所述溶剂接收罐连接溶剂回收罐，所述溶剂回收罐还管道连接所述板框压滤机，所述溶剂接收罐还连接捕集换热器。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磷酸铁锂正极材料制备工艺，其特征在于：所述制备工艺包括：将磷酸铁锂原料纳米化均化的步骤；纳米化原料高温反应所生成的物料经冷却塔冷却的步骤；冷却后的物料颗粒均化的步骤；其中，纳米化均化是指将原料粉碎成0.1‑100nm大小的颗粒，纳米化原料高温反应为连续式反应。

【技术特征摘要】
1.一种磷酸铁锂正极材料制备工艺，其特征在于：所述制备工艺包括：将磷酸铁锂原料纳米化均化的步骤；纳米化原料高温反应所生成的物料经冷却塔冷却的步骤；冷却后的物料颗粒均化的步骤；其中，纳米化均化是指将原料粉碎成0.1-100nm大小的颗粒，纳米化原料高温反应为连续式反应。2.按照权利要求1所述的制备工艺，其特征在于：所述连续式反应在螺杆式反应器中进行，螺杆式反应器的反应温度为600-750℃。3.按照权利要求1所述的制备工艺，其特征在于：原料铁源为FeC2O4·2H2O,FeC2O4或(CH3COO)2Fe，原料磷源为NH4H2PO4或(NH4)2HPO4，原料锂源为Li2CO3，LiOH或Li3PO4。4.用于权利要求1所述制备工艺的制备设备，其特征在于：所述磷酸铁锂原料纳米化均化是指将原料混合均匀，并将所有混合后的原料均处理成粒径0.1-100nm的颗粒。5.一种用于权利要求1所述制备工艺的装置，所述装置包括原料均化部分、高温反应冷却部分和产品均化部分，其特征在于：所述高温反应冷却部分包括螺杆式反应器，所述螺杆式反应器连接冷却...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕鲲，凡俊琳，王群，曹正祥，
申请(专利权)人：山东三秋新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37