多功能过滤机的研制及应用_张曼曼.pdf

第 53 卷 第 3 期2023 年 6 月电池BATTERY BIMONTHLYVol.53,No.3Jun.,2023作者简介:张曼曼(1989-),女,安徽人,合肥通用机械研究院有限公司工程师,硕士,研究方向:过滤分离设备工艺计算,通信作者;向 波(1982-),男,湖南人,华友新能源科技(衢州)有限公司高级工程师,研究方向:三元正极材料生产工艺技术开发;张德友(1968-),男,安徽人,合肥通用机械研究院有限公司教授级高级工程师,研究方向:过滤分离设备的开发及应用;陈崔龙(1976-),男,安徽人,合肥通用机械研究院有限公司教授级高级工程师,研究方向:过滤分离设备的机械设计。基金项目:安徽省科技重大专项(202003a05020010)DOI:10.19535/j.1001-1579.2023.03.010多功能过滤机的研制及应用张曼曼1,向 波2,张德友1,陈崔龙1 1.合肥通用机械研究院有限公司,安徽 合肥 230088;2.华友新能源科技(衢州)有限公司,浙江 衢州 324000 摘要:针对高镍三元正极材料工业生产存在的设备种类多、功能单一、洗涤效果差和自动化程度低等问题,进行设备功能集成、结构创新。在过滤机上增加真空上料机构、搅拌混合机构和干燥机构,研制集真空上料、搅拌混合、打浆洗涤、压滤吹干和干粉出料于一体的多功能过滤机;改进现有的洗涤结构、洗涤模式,降低表面残碱、钠离子和硫酸根离子含量,并减少洗涤液用量;开发的自动控制系统相关配套技术可实现生产过程的全密闭自动控制,优化材料生产过程。在多家三元正极材料生产企业进行应用,发现技术优势明显,可在提高产能的同时减少废水的排放,并得到钠(Na)质量分数为 0.015%、硫(S)质量分数为 0.140%、磁性异物质量分数不超过 5.010-6%的高品质前驱体产品。关键词:多功能过滤机;高镍三元正极材料;前驱体中图分类号:TM912.9 文献标志码:A 文章编号:1001-1579(2023)03-0281-03Development and application of multifunctional filterZHANG Man-man1,XIANG Bo2,ZHANG De-you1,CHEN Cui-long1 1.Hefei General Machinery Research Institute,Hefei,Anhui 230088,China;2.Huayou New Energy Technology(Quzhou)Co.,Ltd.,Quzhou,Zhejiang 324000,China Abstract:In view of issues existing in the industrial production of high nickel ternary cathode materials,such as multiple types of equipment,single function,poor washing effect and low degree of automation,the equipment function integration and structure innovation were carried out.The vacuum feeding mechanism,mixing mechanism and drying mechanism were added to the filter,a multifunctional filter integrating vacuum feeding,mixing,pulping and washing,filter pressing and drying,dry powder discharging was developed.The existing washing structure and washing mode were improved,the residual alkali,sodium ion and sulfate ion on the surface were reduced,the washing solution was saved.The relevant supporting technologies of the developed automatic control system had realized fully closed automatic control of the production process and optimized the production process of materials.Through application in many ternary cathode material manufacturers,the technology had obvious advantages,which improved production capacity and reduced wastewater discharge,high-quality precursor products with sodium(Na)mass fraction of 0.015%,sulfur(S)mass fraction of 0.140%and magnetic foreign matter mass fraction of no more than 5.010-6%had been obtained.Key words:multifunctional filter;high nickel ternary cathode material;precursor 随着新能源汽车对续航里程要求的提高,国内外生产厂家都在积极开发比能量突破 300 W h/kg 的高比容量高镍三元正极材料1。共沉淀-高温固相法是工业生产高镍三元正极材料的主流工艺。前驱体的质量对实现三元正极材料高比容量、长循环寿命至关重要,其中,过滤、洗涤是将反应得到的前驱体浆料进行固液分离,再通过洗涤,去除残留在滤饼中残碱、硫酸根离子和钠离子等的过程2。表面残碱会加快容量衰减、恶化循环性能、导致电池胀气3;硫酸根和钠离电池BATTERY BIMONTHLY第 53 卷子含量过高,会降低电池的安全性和循环性能,因此,该过程直接影响高镍三元正极材料的品质及电池性能。目前,高镍三元正极材料生产存在以下几个问题:共沉淀-高温固相法生产过程,采用搅拌罐、反应釜、压滤机、干燥机等进行混合、沉淀、陈化、过滤、洗涤及干燥处理4。工序、操作及控制分散,劳动强度大,物料易出现碎片和混入磁性异物,降低成品的电化学性能。所用设备种类多、功能单一,尤其是过滤洗涤作为重要工序,多采用压滤机、离心机和压干机来实现5。压滤机处理周期长、脱水和洗涤效果差;离心机单批次处理量小,需要多次洗涤,耗水量大;压干机处理效率低、自动化程度低。以上设备因不同部位滤饼层厚度的差别,会导致部分滤饼洗涤不完全,难以保证洗涤效果。生产过程多采用半自动化操作方式,易受人为因素的干扰。本文作者对现有过滤机进行功能集成,改进洗涤机构及洗涤模式,并开发全自动控制系统,以满足高镍三元正极材料的生产工艺要求。1 研制思路针对高镍三元正极材料生产设备存在的问题,提出以下改进思路:综合分析传统高镍三元正极材料前驱体分散式生产工艺,对物理特性、生产要素进行分析,根据各工序中工艺参数之间的相关性和融合度,考虑将生产设备进行功能集成,在一台设备中完成混合、过滤、洗涤和预干燥等工序,降低物料转运频率,减少磁性异物混入风险;在设备功能集成的同时,针对前驱体溶液中表面残碱存在形式及形成机理6,优化洗涤液类型、洗涤方式,根据生产工艺中金属溶液和碱液发生反应生成镍钴锰氢氧化物,形成钠、硫杂质的机理7,研制混合效果好、洗涤更充分的洗涤机构及洗涤模式;开发全自动控制技术,在保证三元正极材料品质稳定的同时,提升产能和效率。2 研制方案2.1 设备功能集成针对前驱体成型关键流程对设备功能的不同要求,进行设备功能集成、结构创新,在过滤机上,增加真空上料机构、搅拌混合机构及干燥机构,研制集真空上料、搅拌混合、打浆洗涤、压滤吹干、干粉出料于一体的多功能集成装备,并对混合装置、固体出料装置和残余滤饼卸除装置进行结构改进。集成装备外形图如图 1 所示。图 1 集成装备外形图Fig.1 Outline drawing of integrated equipment研制的低速多维混合装置可实现变速、升降及正反转等多维运转,最大程度上弱化搅拌剪切作用(最大线速度不高于3.7 m/s),减弱对高镍三元正极材料颗粒的碰撞作用,保证晶型完整;固体出料装置,通过锥面硬密封、阀芯自动对中、辅助气体吹扫,提高可靠性,减少维护次数;通过在滤盘底部安装振动电机和偏心甩块,产生旋振激振源,用非机械刮除方式来清除残余滤饼,将残余滤饼卸除率提高到 95%以上。2.2 洗涤机构及模式改进传统的离心机洗涤过程,洗涤液由进液管加入,分布不均匀,同时,因滤饼层厚度不一致,会导致不同位置过滤阻力有差别,洗涤液容易穿过阻力小的滤饼层,阻力大的滤饼层因洗涤液无法穿过而洗涤不完全。开发的过滤机洗涤机构,洗涤液由顶部通过喷淋方式加入,能全方位、均匀地分布于机器内部,通过刮刀机构的正反转及上下升降,滤饼和洗涤液可逐层充分混合,实现浆化洗涤,缩短洗涤时间和节约洗涤液用量。洗涤后,通过刮刀机构抹平,能消除滤饼裂缝,使滤饼分布均匀、厚度一致,洗涤液通过各处的阻力一致,滤饼能得到充分、均匀的洗涤。不同洗涤方式的工作原理见图 2。图 2 不同洗涤方式的工作原理Fig.2 Working principle of different washing methods2.3 自动控制系统的开发高镍三元正极材料的生产是一个系统工程,为提升过滤机产能和生产效率,首先开发分层式滤盘、上清液自动抽吸及滤盘自动启闭等自动控制系统相关的配套技术,在配套技术开发的基础上,进行自动控制系统的开发。2.3.1 分层式滤盘、上清液自动抽吸技术针对集成装备过滤面积有限、前驱体材料过滤性能差等因素引起单机处理产能受限的问题,研制的分层式滤盘过滤面积增加 24 倍,采用分块式、高精度金属滤网,可根据物料粒径更换合适的滤盘,提高产能;采用上清液自动抽吸装置,通过液力驱动抽吸管,使抽吸管管口始终位于上清液表面,并随着液面的下降自动下降,实现对上清液的高效撇除,具体情况见图 3。2.3.2 滤盘自动启闭技术针对滤盘启闭难度高、自动化程度低、非工作时间长等问题,通过旋紧液压缸沿周向推动锁紧圈,达到设定位置时停止;自动啮齿,通过升降机构放下过滤装置。整个拆卸过程由程序控制,耗时不到 1 min,缩短了操作时间。当生产一定批次或更换物料种类后,可定期自动打开滤盘,对过滤介质进行彻底清理,大幅度减少装备维护的工作量。282第 3 期张曼曼,等:多功能过滤机的研制及应用图 3 滤盘、自动抽吸装置Fig.3 Filter pan and automatic suction device2.3.3 自动控制系统研制的分块式滤盘、上清液自动抽吸装置,能提高过滤机的产能及效率,滤盘自动启闭技术的开发,可实现生产过程的密闭化和自动化。将以上技术在自动控制系统中集成,能最大程度地排除人为因素的干扰,保证高镍三元正极材料品质的稳定。开发的自控系统具备数据采集、监测和追溯功能,实现了生产过程的在线监测和精准控制。3 应用研制的过滤机已在衢州、成都和荆门等多地三元正极材料生产企业进行应用。相比传统工艺,每批次单机产能由原来的 400 kg 提高到 2 0004 000 kg,提升了设备的效率。在衢州某企业的应用中,据测算,每生产 100 kg 三元正极材料(NCM622),产生的废水可减少 1 5002 000 kg。按照每年104 t 的产能计算,可减少生产废水达到