六列三元材料燒結輥道爐的研制

伍紅平 劉譯升 奚思

鋰離子電池商業化前景最好的二次電池，其中三元材料是近年來的研究熱點之一。本文從三元材料的燒結工藝出發，研發一款六列輥道爐，介紹了其爐膛、置換室、冷卻、進排氣等關鍵結構設計。該輥道爐可實現三元正極材料燒結工藝的連續穩定量產，具備廣闊的應用前景。

輥道爐;三元材料;燒結設備;爐膛;窯爐結構

鋰離子電池具有電壓高、比容量大、無記憶性、自放電率低、快速充放電等優點，是商業化前景最好的二次電池。在鋰電池中正極材料是其核心材料，正極材料為整個電池提供鋰源，決定了電池的電性能和成本。目前已經商業化的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等。其中三元材料綜合了幾種材料的優點且具備協同性，具有良好的應用前景。

根據鎳、鈷、錳的原子比例不同，商業化的三元材料產品型號有111、523、622、811等。一般來說，鎳含量越高，電池的能量密度越高，成本越低，同時其堿性更高，對燒結設備的抗腐蝕能力要求也更高。

高溫燒結是三元材料制成的重要步驟之一，常用的燒結設備有箱式爐、推板爐、輥道爐、回轉爐等，其中以輥道爐為連續批量生產的最優方案。目前國內高鎳三元燒結設備仍以國外進口或合資企業制造為主，以雙列、四列輥道爐為主。為適應目前三元材料市場需求，開發六列超大產能輥道爐迫在眉睫。

一、三元材料燒結工藝

三元材料燒結反應是固相反應，在一定溫度下，前驅體和鋰源發生固相反應，經過一定時間的燒結，得到完整晶型的層狀結構的三元材料。燒結溫度、燒結氣氛和燒結時間是燒結工藝的最重要的因素。常用的鋰源有碳酸鋰和單水氫氧化鋰，前驅體和鋰源在氧氣環境中燒結產生三元材料，同時產生大量水汽及CO2（鋰源為碳酸鋰時）。不同的三元材料燒結工藝溫度不同，燒結環境所需氧氣濃度也不同。

二、設備主要構成及參數

該輥道爐主要由爐膛、爐體、傳動系統、置換室、降溫冷卻系統、進排氣系統及全自動控制系統等構成。其示意圖如圖1所示，其中加熱爐體和冷卻爐體采用標準模塊設計，可進行自由組合，以滿足不同產能、工藝及廠房大小。

三、設備關鍵技術點

三元材料，尤其是高鎳三元材料對其燒結的設備的性能要求較高，如：（1）材料的強堿性對設備的防腐性能要求高;（2）為保證燒結物料性能的一致性，爐內截面溫度均勻性較高;（3）要保證燒結過程中產生的大量水汽及時排出;（4）在保證足夠的氧分壓以促進燒結，同時從成本上考慮需盡量降低氧氣耗量。以下從設備的主要組件出發，優化其設計，使其滿足要求。

1.爐膛結構

三元材料燒結過程為氧化反應，其燒結過程中會產生大量水，并揮發堿性物質，對爐膛材料等提出了更高的抗堿性腐蝕要求。綜合考慮成本和材料的抗腐蝕性能，爐膛內層使用氧化鋁空心球磚和莫來石磚砌筑，爐膛外層使用陶瓷纖維板及微孔納米絕熱板。此結構保證了爐膛內層材料的抗腐蝕性能，同時由于所用材料熱容小、傳熱系數低，能有效降低熱量損失、減小爐膛材料自身的蓄熱量，降低窯爐的能耗。

采用了拱頂結構，能有效及時的排出燒結過程產生的水汽、CO2（鋰源為碳酸鋰時）及其他排出物。相對于平頂結構，拱頂結構更有利于輻射傳熱，提高爐膛內溫度的均勻性，提高物料的燒結性能。

在窯爐的升溫區，有大量水分排出，升溫區爐膛外層使用憎水型陶瓷纖維板。且在底部設計有排水盒，保證冷凝水及時排出，防止其對爐膛材料的侵蝕。爐膛結構如所圖 2示。

2.進口置換室結構

進口置換室由兩道密封閘門分割成兩個獨立的置換空間，每個置換空間包含獨立的進氣、排氣及傳動系統。匣缽由進口置換室逐級置換后進入爐膛，置換室起到了如下作用：（1）保證了爐內氧含量的穩定，是物料燒結反應有足夠的氧分壓;（2）減少爐內氣體外泄，降低氧氣耗量;（3）防止燒結排出物及揮發物外泄，保證了廠房環境安全。

前文所述三元材料燒結會在升溫去產生大量水汽，部分水汽會在進口置換室冷凝并回滴到物料上，造成物料中的前驅體和鋰源混合不均勻，影響燒結后的物料性能。為解決此問題，除在窯爐進口設計有氣幕進行水汽阻隔外，還將進口置換室頂部蓋板設計為拱頂形式，使冷凝水沿蓋板流下，避免其滴入物料。此外，在置換室底部設計有排水漏斗及閥門，冷凝水可及時通過閥門排出。進口置換室結構簡圖如圖 3所示。

3.冷卻結構設計

該輥道爐冷卻采用了風冷換熱和水冷換熱兩種冷卻方式結合的結構。其中風冷換熱由碳化硅風管進行換熱，通過風機強制對流加速換熱效率。水冷冷卻由螺旋扁管進行換熱，螺旋扁管增加了冷卻水的湍流程度，提高換熱效率。較傳統的水冷缸套冷卻或者翅片冷卻方式，螺旋扁管在保證換熱效率的前提下，避免了爐腔內水道的焊接，避免了焊縫易被侵蝕從而導致漏水的問題。

組合使用風冷和水冷兩種冷卻方式，其中風冷靠近加熱區，水冷靠近窯爐出口，在保證冷卻效果的前提下，可有效避免爐膛內水汽過早遇到冷卻水管產生冷凝。

4.進排氣系統設計

三元材料燒結過程需要氧氣參與反應，因此需要足夠的氧分壓來保證物料的燒結。在物料批量燒結工藝中，需要通過增加氧氣進氣量和增大排氣量來稀釋反應產生的廢氣，從而保證氧氣濃度。

進氣系統設計為氧氣和空氣雙管道進氣，其中氧氣進氣的主要目的是維持爐內的氧氣濃度，保證足夠的氧分壓;空氣進氣主要起到稀釋反應產生的廢氣使其及時被排出。氧氣管道上的支路連接爐體上的側面進氣管，空氣管道上的支路連接爐體上的底部進氣管，氧氣主管道與空氣主管道通過蝶閥連接，兩者可實現獨立進氣或互通。由此可實現三種不同工況：①底部進空氣，側面進氧氣;②底部和側面全部進空氣;③底部和側面全部進氧氣。針對不同的物料，其燒結環境所需要的氧氣濃度不同，此進氣系統可通過調節氧氣和空氣的進氣比例，使其滿足爐內氣氛要求，并減少氧氣耗量。所有進氣在進入爐膛錢先經過爐膛保溫層內預熱氣盒進行預熱，減小進氣對爐內溫度場的擾動。

窯爐排氣設計在爐頂，煙囪為L型結構，防止廢氣物掉入物料。單個煙囪與主排氣管道采用非直接連接方式，保證了爐內爐壓穩定。通過調節各支路閥門大小，實現廢氣及時排出。

四、總結

本文從三元材料燒結工藝出發，針對爐膛、置換室、冷卻、進排氣等關鍵結構對六列三元輥道爐做出了優化設計，其具備以下幾個方面的優勢：

（1）可連續自動化生產（需配合自動線），產能大，單位能耗低;

（2）針對三元燒結工藝所設計，在爐膛溫度均勻性、防冷卻水回滴等關鍵點作了技術改進，保證了燒結物料性能的一致性;

（3）工藝適應性強，可根據不同三元材料的燒結特性進行工藝調整;

（4）模塊化設計，可根據不同的需求進行組合。

六列三元燒結輥道爐的研發，能較好的解決市場對大產能、高穩定性三元材料燒結設備的需求，具備很好的社會、經濟效益前景。

參考文獻

[1]王慶莉，丁楚雄，等.三元材料制備技術研究進展[J].電源技術，2019，43（1）：174-176.

[2]劉磊，包珊珊，何歡，等.鋰離子電池富鎳三元正極材料研究進展[J].電子元件與材料，2017，36（12）：63-70.

[3]鄭超.不同燒結方式對鋰離子三元材料的影響[J].中國科技信息，2018，No.583（11）：16+83-85.

[4]時哲，王玉輝，黃明，等.動力鋰離子電池正極材料焙燒爐概述[J].工業爐，2019（4）.

[5]張磊，張新龍，趙云虎，等.高鎳三元材料燒結溫度研究[J].信息記錄材料，2019（6）：41-44.

[6]程婧，馮青，黃啟鋒，等.超寬體輥道窯燒成帶平頂與半圓拱頂結構分析[J].中國陶瓷，2013（6）：40-43.

[7]譚映山，陳凱，鄒正紅，等.超寬體輥道窯結構的設計[J].中國陶瓷工業，2015，v.22（06）：58-62.