一种锂颗粒的生产装置的制作方法

1.本发明属于金属锂加工领域，尤其涉及一种锂颗粒的生产装置。


背景技术：

2.金属锂作为一种能源材料，一直受到人们极大的关注。目前受加工水平所限，在新能源行业中应用最广泛的金属锂形式主要以带材为主。出于研究的多样性及使用的便利性等要求，对金属锂的形式提出了新的要求，如制备颗粒度较小的锂颗粒。目前fmc公司通过溶液法成功制备了金属锂颗粒，但其制备的金属锂颗粒直径较大，d50约为45微米，且颗粒尺寸变化范围较大，锂粉颗粒尺寸分布成正态分布，最大颗粒与最小颗粒之间的极差可达100微米，进一步制备尺寸较小、颗粒尺寸变动范围较小的金属锂颗粒非常困难。业界亟需一种尺寸可控、形貌可控的锂颗粒的制备方法和生产装置。


技术实现要素：

3.本发明旨在解决现有技术中的上述问题。为此，本发明提供了一种锂颗粒的生产装置，其结构简单，制备的金属锂颗粒形状受控可变，且金属锂颗粒尺寸可控，并能实现连续化生产。
4.本发明的原理是在y型模具中，通过控制熔融锂的流量、切割气体或液体的压力和/或流量，利用切割气流或液流对熔融金属锂进行分割，以得到所需形状和尺寸的金属锂颗粒。
5.为实现本发明的发明目的，本发明提供一种锂颗粒的生产装置，所述生产装置包括用于维持整个装置处于惰性气氛中的保护装置；以及位于所述保护装置内部的熔融锂供料系统、切割气体或液体控制系统、y型模具和集料装置，
6.其中所述y型模具包括柄部和两个分叉部，柄部和分叉部分别具有通道，在柄部和分叉部的结合处交汇，其中分叉部的两个通道分别与熔融锂供料系统和切割气体或液体控制系统相连，柄部通道与分叉部相反一侧的端部形成出口，用于将物料排入集料装置。
7.在一些实施方式中，所述锂颗粒为金属锂或锂与选自以下各项中的至少一种的合金：ag、al、au、ba、be、bi、b、c、ca、cd、co、cr、cs、fe、ga、ge、hf、hg、in、ir、k、mg、mn、mo、n、na、nb、ni、pt、pu、rb、rh、s、se、si、sn、sr、ta、te、ti、v、y、zn、zr、pb、pd、sb和cu。
8.在一些实施方式中，切割液体包括溶剂相、溶质和任选的离子型表面活性剂，其中所述溶剂相包括液体石蜡，所述溶质包括十八烷基磷酸酯、油酸，所述离子型表面活性剂包括r-oso3na、r-opo3na、铵盐类表面活性剂，r为脂肪族或芳香族烃基；其中，溶剂相、溶质和离子表面活性剂的质量分数比为(85％-95％)：(5％-15％)：(0-5％)。
9.在一些实施方式中，切割气体包括惰性气体，其可以与惰性气氛相同或不同；惰性气氛和惰性气体均可以选自氩气、氦气和氖气。
10.在一些实施方式中，所述保护装置为手套箱。
11.在一些实施方式中，所述熔融锂供料系统包括熔融锂加热单元、熔融锂输送单元
和熔融锂流量控制单元。
12.在一些实施方式中，所述切割气体或液体控制系统包括增压单元、流量控制单元和输送单元。
13.在一些实施方式中，所述y型模具包括模具保温单元、降温单元和出口单元，
14.其中，模具保温单元包括两个分叉部和柄部的前半段；降温单元包括柄部的后半段直至出口的部分；出口单元为柄部的出口部分。
15.在一些实施方式中，所述模具保温单元的保温温度范围为180℃至500℃。
16.在一些实施方式中，所述降温单元为至少包括两个降温区的梯次降温单元。所述两个降温区可以包括降温至180℃的降温区和由180℃降温至常温的降温区。
17.在一些实施方式中，所述出口部分为喇叭形。
18.在一些实施方式中，所述y型模具的通道的直径在1微米至100微米、优选5微米至50微米的范围内。
19.在一些实施方式中，所述的y型模具材质为不锈钢、铜、耐高温塑料(包括聚酰亚胺、聚芳醚酮等)、陶瓷材料中的一种。
20.在一些实施方式中，所述y型模具的通道经过表面预处理，包括表面抛光、油浴。
21.在一些实施方式中，所述生产装置包括并联的多组y型模具。
22.本发明的技术优势主要体现在以下方面：
23.1、工艺简单，可以制备小尺寸的锂颗粒，例如粒径10微米或5微米以下的锂颗粒。
24.2、所制备的锂颗粒形状受控可变。
25.3、所制备的锂颗粒尺寸可控，尺寸变化可控制在
±
5微米之内。
26.4、本发明的生产装置可实现连续化生产。
附图说明
27.图1为本发明的锂颗粒的生产装置的一个示意图；
28.图2为y型模具的一个示意图；
29.图3为熔融锂连续流出生产金属锂绳的示意图；
30.图4为熔融锂被分割成单颗粒的示意图；
31.图5为实施例2制备的球形金属锂颗粒的电镜照片。
32.图6为实施例4制备的球形金属锂颗粒的电镜照片。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
34.为了克服锂颗粒生产加工的限制，实现锂颗粒形状可控和尺寸可控的连续化生产，本发明人进行了深入且广泛的研究，开创性地提出了一种锂颗粒的生产装置。
35.图1示意性地显示了根据本发明的锂颗粒的生产装置。如图1所示，本发明的生产装置包括用于维持整个装置处于惰性气氛中的保护装置1；以及位于所述保护装置内部的
熔融锂供料系统2、切割气体或液体控制系统3、y型模具4和集料装置5，其中所述y型模具4包括柄部和两个分叉部，柄部和分叉部分别具有通道，在柄部和分叉部的结合处交汇，其中分叉部的两个通道分别与熔融锂供料系统2和切割气体或液体控制系统3相连，柄部通道与分叉部相反一侧的端部形成出口，用于将物料排入集料装置5。
36.图2为本发明y型模具的一个示意图，如图2所示，y型模具4可以分为模具保温单元41、降温单元42和出口单元43，其中，模具保温单元41包括两个分叉部和柄部的前半段；降温单元42包括柄部的后半段直至出口的部分；出口单元43为柄部的出口部分。出口部分优选为喇叭形，利于物料排出模具，即使模具发生偏转，也不会堵塞出口。
37.本发明锂颗粒的生产工艺可以包括如下步骤。通过熔融锂供料系统2将熔融锂进料至y型模具4的一个分叉部，将切割气体或液体经由控制系统3输送至y型模具4的另一个分叉部，熔融锂与切割气体或液体交汇后，通过切割气体或液体对熔融锂进行分割，分割后的熔融锂经过降温后得到锂颗粒，所述锂颗粒由集料装置5收集。
38.锂颗粒的形状和尺寸通过控制熔融锂的流量和切割气体或液体的流量和/或压力进行控制，当切割气体或液体的流量较小或者压力较小时，熔融锂不会被分割成单颗粒，而呈连续状，最终得到金属锂绳，如图3所示。而当增加切割气体或液体的流量或压力时，熔融锂被分割成单颗粒，如图4所示。控制熔融锂的流量和惰性气体的流量和压力，可以得到多种形状的锂颗粒，包括圆形、长球形、杆状等。
39.整个工艺在惰性气氛下进行。由控制系统3输送的惰性气体的压力高于惰性气氛的压力。惰性气体的压力表示相对于惰性气氛的压力，通常在0.1mpa至0.5mpa范围内。
40.在一些实施方式中，熔融锂进料速率范围为10微升/小时至50毫升/小时，优选0.1毫升/小时至10毫升/小时，更优选1毫升/小时至5毫升/小时；切割气体或液体的流量范围为10微升/小时至1升/小时，优选0.1毫升/小时至100毫升/小时，更优选1毫升/小时至10毫升/小时。
41.用切割气体或液体将熔融锂切割成小液滴的工序主要在y型模具4的模具保温单元41进行，模具保温单元41的保温确保切割过程中熔融锂处于液态。切割后的小液滴在降温单元42中逐渐降温至室温。优选降温分步进行，例如先降温至180℃，再降温至室温。
42.锂颗粒的尺寸也可由y型模具的通道大小控制。通常，y型模具的通道直径可以在1微米至100微米范围内，优选5微米至50微米。因而，锂颗粒的最小直径也可达1微米或5微米。
43.y型模具中的通道可通过机械加工、激光打孔等方式获得，还可以进行表面预处理，包括表面抛光、油浴等。
44.另外，y型模具两个分叉部的夹角选择与物料熔融态的表面张力有关。熔融金属锂的表面张力很大，在熔融锂与惰性气体相切的位置很容易形成球面，因此，很小的角度就可以将熔融锂分割成单个液滴。本发明的y型模具的分叉部夹角范围为0
°
＜θ＜180
°
，优选30
°
≤θ≤65
°
。
45.下面将结合具体实施例，对本发明进行举例说明。
46.实施例1
47.使用不锈钢制作y型模具，y型通道的直径为25微米。在惰性气氛保护下，向处理好的y型模具中通入熔融锂和惰性气体，控制熔融锂的流量为40微升/小时，惰性气体的流量
为20微升/小时，且惰性气体压力为0.1mpa，此时，金属锂连续成线，不能得到金属锂单颗粒。
48.实施例2
49.其他条件与实施例1相同，仅改变熔融锂的流量为10微升/小时，得到单分散的金属锂颗粒，如图5所示。
50.实施例3
51.其他条件与实施例1相同，仅改变惰性气体的流量为60微升/小时，得到单分散的金属锂颗粒，颗粒形状与实施例2相同。
52.实施例4
53.其他条件与实施例1相同，仅改变惰性气体的流量为40微升/小时，得到单分散的金属锂颗粒，颗粒形状为长球形，如图6所示。
54.虽然本发明的具体实施方式已经进行了详细的描述，但并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内对那些细节进行任何修改替换和改进，这些改变均应包含在本发明的保护范围之内。本发明的全部范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

技术特征：
1.一种锂颗粒的生产装置，其特征在于，所述生产装置包括用于维持整个装置处于惰性气氛中的保护装置；以及位于所述保护装置内部的熔融锂供料系统、切割气体或液体控制系统、y型模具和集料装置，其中所述y型模具包括柄部和两个分叉部，柄部和分叉部分别具有通道，在柄部和分叉部的结合处交汇，其中分叉部的两个通道分别与熔融锂供料系统和切割气体或液体控制系统相连，柄部通道与分叉部相反一侧的端部形成出口，用于将物料排入集料装置。2.根据权利要求1所述的生产装置，其特征在于，所述保护装置为手套箱。3.根据权利要求1所述的生产装置，其特征在于，所述熔融锂供料系统包括熔融锂加热单元、熔融锂输送单元和熔融锂流量控制单元。4.根据权利要求1所述的生产装置，其特征在于，所述切割气体或液体控制系统包括增压单元、流量控制单元和输送单元。5.根据权利要求1所述的生产装置，其特征在于，所述y型模具包括模具保温单元、降温单元和出口单元，其中，模具保温单元包括两个分叉部和柄部的前半段；降温单元包括柄部的后半段直至出口的部分；出口单元为柄部的出口部分。6.根据权利要求5所述的生产装置，其特征在于，所述出口部分为喇叭形。7.根据权利要求5所述的生产装置，其特征在于，所述降温单元为至少包括两个降温区的梯次降温单元。8.根据权利要求1所述的生产装置，其特征在于，所述y型模具的通道的直径在1微米至100微米、优选5微米至50微米的范围内。9.根据权利要求8所述的生产装置，其特征在于，所述通道经过表面预处理，包括表面抛光、油浴。10.根据权利要求1所述的生产装置，其特征在于，所述生产装置包括并联的多组y型模具。

技术总结
本发明公开了一种锂颗粒的生产装置。本发明的生产装置包括用于维持整个装置处于惰性气氛中的保护装置；以及位于所述保护装置内部的熔融锂供料系统、惰性气体控制系统、Y型模具和集料装置，其中所述Y型模具包括柄部和两个分叉部，柄部和分叉部分别具有通道，在柄部和分叉部的结合处交汇，其中分叉部的两个通道分别与熔融锂供料系统和切割气体或液体控制系统相连，柄部通道与分叉部相反一侧的端部形成出口，用于将物料排入集料装置。根据本发明，一方面锂颗粒的形状受控可变，可实现连续化生产；另一方面锂颗粒尺寸可控且工艺简单。另一方面锂颗粒尺寸可控且工艺简单。另一方面锂颗粒尺寸可控且工艺简单。


技术研发人员：孔德钰 郇庆娜 孙兆勇 陈强 牟瀚波
受保护的技术使用者：天津中能锂业有限公司
技术研发日：2022.03.14
技术公布日：2023/9/23