單錐真空干燥機(jī)在鋰電池材料二次深度烘干中的運用
隨著新能源汽車對鋰離子動力電池的電化學(xué)性能和安全性能的要求越來越高，對有機(jī)電解質(zhì)體系鋰離子電池的構(gòu)成材料及電池制作過程的水分控制要求也越來越苛刻。由于電池中存在的水分在電池充放電過程中會與電解質(zhì)組分發(fā)生系列化學(xué)反應(yīng)：
工程咨詢項目概況
隨著新能源汽車對鋰離子動力電池的電化學(xué)性能和安全性能的要求越來越高，對有機(jī)電解質(zhì)體系鋰離子電池的構(gòu)成材料及電池制作過程的水分控制要求也越來越苛刻。由于電池中存在的水分在電池充放電過程中會與電解質(zhì)組分發(fā)生系列化學(xué)反應(yīng)：
(1) H2O得電子分解產(chǎn)生OH-和H2；OH-與電解質(zhì)中的Li+反應(yīng)生成固態(tài)LiOH；LiOH進(jìn)一步得電子并與Li+反應(yīng)生成無電化學(xué)活性的Li2O和H2；
(2) 電解質(zhì)鹽LiPF6在H2O存在的情況下分解并反應(yīng)生成HF、LiF和PF3O；HF與電解液中的碳酸酯溶劑反應(yīng)生成H2O和CO2；反應(yīng)生成的H2O將進(jìn)一步引起電解質(zhì)鋰鹽分解，形成惡性循環(huán)。
上述化學(xué)反應(yīng)將導(dǎo)致鋰離子電池隨著充放電循環(huán)的進(jìn)行發(fā)生極片膨脹、脹氣現(xiàn)象以及電解液不斷消耗進(jìn)而電化學(xué)性能劣化等問題。因此對鋰離子電池制作過程(包括極片制作和電芯制作)的水分控制一直是電池廠商的關(guān)注重點。近期因高鎳多元鋰離子電池正極材料以及新型多孔碳負(fù)極材料或添加劑等鋰離子電池原材料在制備及儲存過程中極易吸水，或?qū)е虏牧闲阅茏兓瘡亩谥苽潆姌O片時勻漿困難，或?qū)е?極片烘烤時水分難以控制等系列問題，引發(fā)了鋰離子電池材料廠商和電池廠商對于鋰離子電池粉體材料進(jìn)行深度干燥的思考和重視，即粉體材料中的水分含量越低越好。深度干燥的參考標(biāo)準(zhǔn)為被干燥后粉體材料中的水分含量≤500ppm。
干燥是用熱能使一定濕度的物料中的濕分化為氣體，再用抽吸或氣流將蒸氣移走而達(dá)到去濕目的的操作。傳統(tǒng)鋰離子電池粉體材料常用的干燥方法有爐箱體常壓干燥和混合釜真空干燥。爐箱體常壓干燥通常是將粉體物料放置在爐腔或箱體內(nèi)，通過電熱絲加熱蒸出水分，以及持續(xù)通入常溫氣體來帶走水分的方法。
鋰電池材料二次深度烘干常規(guī)工藝分析
鋰電池材料磷酸鐵鋰經(jīng)配比合成，并進(jìn)一步加工成電池正極材料的過程中，需要嚴(yán)格控制其各種指標(biāo)。其中，電極片加工過程中需嚴(yán)格控制磷酸鐵鋰材料的水分含量，當(dāng)磷酸鐵鋰粉體的水分含量過高時，會對電池性能的發(fā)揮產(chǎn)生影響。磷酸鐵鋰水分含量在400～500ppm（0.04％～0.05％，百萬分比濃度）之間時循環(huán)性能是zui佳的，并且當(dāng)水分含量超過600ppm時電化學(xué)性能嚴(yán)重衰減，在極片表面上發(fā)生顆粒破裂，并且電池的內(nèi)阻和電化學(xué)反應(yīng)電阻顯著增加。因此，水分含量控制是制備磷酸鐵鋰電池材料的關(guān)鍵技術(shù)。
鋰電池材料二次深度烘干工藝中，干燥過程使用雙錐旋轉(zhuǎn)真空干燥器來干燥材料。根據(jù)真空干燥原理，該設(shè)備通過降低干燥設(shè)備的壓力，降低水的沸點溫度，增加水的蒸發(fā)能力，進(jìn)一步降低磷酸鐵鋰的含水量。但是，干燥過程中需一直保持干燥室的高真空度，會導(dǎo)致成本增加。且干燥過程中，磷酸鐵鋰粉體之間的分散度不夠，會嚴(yán)重影響其干燥速率。即使干燥時間長達(dá)12小時，產(chǎn)品的含水量仍為約1000ppm，并已達(dá)到該工藝的干燥極限。另外，雙錐旋轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)的填充率僅為30～50%，加工量有限，不利于磷酸鐵鋰的大量生產(chǎn)。
該方法的缺點為干燥程度有限且不均勻，耗氣量大，降溫耗時長。而混合釜真空干燥具體是指將待干燥的粉體放入一個帶夾套的混合釜內(nèi)，持續(xù)抽真空同時夾套內(nèi)通入一定溫度的導(dǎo)熱油進(jìn)行粉體干燥的方式；雖然該方法不耗氣，并隨著釜體的緩慢轉(zhuǎn)動，干燥相對均勻，但缺點有：
(1) 物料在持續(xù)抽真空的過程中存在1～4％的粉體被抽走從而導(dǎo)致物料損失；
(2) 熱油的冷卻周期長；盡管冷熱油路并聯(lián)的混合釜在鋰電粉體材料冷卻時在一定程度上縮短了混合釜的降溫時間，但由于冷熱油的切換略顯復(fù)雜，因而導(dǎo)致整個干燥過程耗時仍較長；
(3) 真空度一般僅有4000～10000Pa，導(dǎo)致干燥后的粉體材料內(nèi)部所吸附的水分依舊無法逸出；
(4) 干燥物料的轉(zhuǎn)移取料無保護(hù)措施，使得一些易吸濕材料在轉(zhuǎn)移封裝過程中又再次吸水。
內(nèi)加熱螺帶單錐干燥機(jī)是一種集減壓蒸餾、粉碎、混粉、干燥為一體的高效多功能全密閉立式真空干燥設(shè)備，干燥效率是同等規(guī)格雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)、真空烘箱3～5倍。該工藝突破傳統(tǒng)工藝的干燥極限，在保證較高產(chǎn)量的同時，實現(xiàn)微量水分干燥，為磷酸鐵鋰工業(yè)化生產(chǎn)提供了一種全新的工藝。無錫雙瑞根據(jù)長期的行業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗，改進(jìn)型單錐真空干燥機(jī)的工作效率大幅提升，不僅可以用于熱敏性物料的干燥，還可以用于粉體和粉體、粉體和液體的混合、反應(yīng)與干燥。
鋰電池材料二次深度烘干單錐真空干燥機(jī) 技術(shù)改進(jìn)
鋰電池材料二次深度烘干單錐真空干燥機(jī)，在干燥處理時由二次電池材料產(chǎn)生的有機(jī)溶劑氣體等從內(nèi)容器輸送到換熱器及冷凝液接收槽中而被回收。能夠?qū)⑾嗷ミB通的內(nèi)容器、換熱器、冷凝液接收槽及真空泵的系統(tǒng)整體設(shè)為密閉結(jié)構(gòu)，并且能夠抑制二次電池材料的粉塵或有機(jī)溶劑等向裝置周圍飛散。
(1) 采用的超高真空度可以使得物料內(nèi)部的水分也能有效逸出，進(jìn)一 步降低了粉體材料中的水分含量。
(2) 脈沖通過通入循環(huán)熱導(dǎo)干燥氣體，可以有效實現(xiàn)物料的快速升溫，并且使干燥和加熱的程度更加均勻，實現(xiàn)傳導(dǎo)加熱、對流加熱等多種方式加熱。
(3) 干燥完成后通入循環(huán)冷導(dǎo)干燥氣體，可以有效實現(xiàn)物料的快速降溫，并且使干燥和加熱的程度更加均勻；同時使得冷卻周期變短，耗時更少，工藝更簡單。
(4) 鋰離子電池粉體材料轉(zhuǎn)移至與真空干燥局串聯(lián)的低露點值為-40℃的除濕房內(nèi)，取出的鋰離子電池粉體材料并用鋁塑膜袋封口儲存。
(5) 采用微孔粉塵過濾器，可以有效避免物料在抽真空至高真空度或者充氣升溫以及冷卻狀態(tài)下的物料泄露以及干燥過程中金屬雜質(zhì)異物的引入，實現(xiàn)基本不漏料，收料率接近100％。
單錐真空干燥機(jī)作為一種易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)并且能夠有效進(jìn)行深度干燥的方法及裝置，來保證高收料率的同時大幅度降低鋰離子電池粉體材料中的水分含量，其對于實現(xiàn)更高品質(zhì)鋰離子電池特別是安全性能好的車用動力電池的廣泛應(yīng)用意義重大。
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