磷酸鐵鋰燒結氣氛爐

1 引言
常規鋰離子電池正極材料的研究集中於層狀的過渡金屬氧化物LiMO2(M=Co,Ni，Mn等)與尖晶石型的LiM2O4(M=Co，Ni，Mn等)。然而，鈷資源的嚴重缺乏造成鈷價格的高昂，同時，鈷酸鋰(LiCoO2)安全性能差，很難滿足大眾化的鋰離子動力電池的需求；而比容量低和高溫性能差又成為長期以來困擾錳酸鋰(LiMnO2)實現商品化的關鍵技術難題；三方晶系的鎳酸鋰(LiNiO2)在製備的過程中很容易生成無電化學活性的立方晶系的鎳酸鋰，實用化的難度較大；新型的三元複合氧化物鎳鈷錳酸鋰(LiNi1／3Col／3Mnl／3O2)因兼有LiNiO2和LiCOO2的優點，一度被人們認為是最有可能取代LiCOO2的新型正極材料，但仍存在合成條件較為苛刻、安全性較差、綜合性能有待改進、成本也較高等缺點；正交晶系橄欖石型的磷酸鐵鋰(LiFePO4)材料由於具有比容量高、價格低廉、無環境污染、安全性和熱穩定性好等優點而成為一種最有潛力的鋰離子動力電池材料。
熱合成工藝是製備鋰離子動力電池材料最重要的工序，它對於鋰離子動力電池的最終性能具有決定性的影響，製備設備是支撐新一代鋰離子動力電池正極材料產業良性發展的基礎。
2 製備設備簡介
磷酸鐵鋰的合成方法主要採用高溫固相反應法：將FeC2O4、2H2O、Li2CO3和NH4H2PO4或(NH4)2HPO4按化學計量比混合，在氬氣或氮氣等惰性氣氛保護下，於300℃左右使混合物初步分解，然後升溫到600～800℃，保溫12 h以上，就可以得到橄欖石晶型的LiFePO4材料。如何在熱處理的過程中防止二價鐵的氧化是合成的關鍵控制點，也是製備設備必須解決的關鍵問題。相對於鈷酸鋰、錳酸鋰而言，磷酸鐵鋰材料的製備對設備要求極高。目前，國際上磷酸鐵鋰材料的製備基本上都是採用間歇式設備：如氣氛保護鐘罩爐、氣氛保護箱式爐等。目前我們在這方面進行了自主研發，在對試驗型和小規模生產型的合成設備取得階段性成果的基礎上，研製開發連續式全氣氛保護迴轉爐，該型設備主要技術指標：
特 點：
1、 可實現完全密封，可對煅燒粉體進行有效的氣氛保護
2、 相對使用於粉體產量較大些的生產可連續進出料
3、 由於粉體在動態狀況下被煅燒，無生燒、過燒和夾生現象
4、 熱效率高、因採用動態煅燒方式，加上其特殊的結構和材料匹配，熱效率能大大提高，節省能耗
5、 自動化程度高。整個加熱過程可通過PID智慧型控制系統提前預設並自動完成。加熱系統採用移相觸發，實現緩啟動，緩關斷，運行平滑
主要指標：
生產方式：氣氛保護連續式生產
加熱方式：電加熱
煅燒產品：磷酸鐵鋰等粉體材料
使用溫度：60℃—950℃
溫控精度：≤±2℃
爐內氧含量：1PPM以下
3、性能優勢（迴轉爐與通道式窯爐性能對比）
1.技術性能
就技術性能而言，通道式窯爐採用的是常規意義的靜態堆放式煅燒，由於物料堆積，其在煅燒過程中存在易夾生、反應時間長、揮發物排放不完全、匣缽的人工碼放強度大、相對產量小、產品品質均勻性低等特點；而對迴轉式窯爐，由於採用的是全新的動態煅燒方式，物料在運行時不斷的帶起和翻動，其熱傳導速度快，物料反應完全，同時可以大大縮短煅燒周期。揮發性氣體排放在動態煅燒（迴轉爐）中能夠更加完全和快速。
2、耗氮量
在氮氣消耗量方面，由於迴轉爐密封性好，耗氮量僅為1-4m3/每小時，而且煅燒出的物料質量特別好，能大大的節剩能源，而世界同類產品的耗氮量都超15m3/每小時以上；而通道式窯爐的密封比較傳統，氣氛保護自然需要大量氮氣或其他惰性氣體進行氣氛保護，這無疑增大了成本，不節能。
3、可靠性
真空迴轉窯目前在國內還沒有特別成熟和完善的先例，從技術和製造角度能夠製作出這樣難度的設備，如果想達到同等的使用指標，有一定難度。而真空式迴轉爐已由我公司自主設計製造，其使用性能被多家客戶認可。
4.經濟性
通道式窯爐必需使用大量的易損易耗件，而迴轉爐沒有這些；就同樣產量而言，通道式窯爐的能耗指標大於迴轉爐，同比迴轉爐可節省大於30%的日常生產成本，在運行成本方面迴轉爐有著較大的優勢。通道式窯爐的產能一但確定尺寸今後將很難有大的調整,而迴轉窯的生產環境和生產手段有著更大的調整空間，比如在產品工藝完善和更新時，會對設備的燒制周期等進行需要的運行參數調整，迴轉窯更容易實現。同樣的產品，使用動態煅燒能夠縮短燒成周期，相應增大產量。
5.污染
迴轉爐在達到真空密封效果的前題下可實現集中煙氣和揮發產物的排放，可接入水封同時進行集中排污處理。
4 發展趨勢
大規模連續式製備代表了磷酸鐵鋰材料製備的發展方向，今後對磷酸鐵鋰製備設備的研究以下幾個方面值得我們的重視：磷酸鐵鋰製備時的特殊氣氛要求，製備設備氣密結構設計技術和氣氛淨化方式的研究；爐體材料和加熱元件的抗腐蝕技術研究；既能提高材料電導率又能降低材料粒徑的製備工藝及製備設備的研究；納米級磷酸鐵鋰正極材料的製備技術研究等。總之，今後對磷酸鐵鋰材料的研究工作將集中於通過合適的製備設備、製備工藝和元素摻雜的方法改善其電子電導率。正是由於磷酸鐵鋰低廉的價格和與鈷酸鋰不相上下的電化學性能，使其有望在對安全性和溫度要求較高的動力型二次電池領域獲得廣泛套用，磷酸鐵鋰動力電池材料製備設備的研究也將會得到長足發展。