用于粉末形式材料的熱處理裝置以及對應的熱處理方法
【專利說明】用于粉末形式材料的熱處理裝置以及對應的熱處理方法
[0001]本發(fā)明涉及熱處理裝置并且更具體地涉及用于粉末形式材料的熱處理裝置。
[0002]熱處理裝置有兩種廣泛應用:金屬淬火和焦炭淬火。
[0003]在金屬淬火的情況下，可以將熔化的金屬直接插入冷的液體介質中或插在經冷卻的表面上。在粉末情況下，可以將其放在一個通常由鋼制成的容器中并且例如使用傳送機將其從稱為熱的區(qū)轉移至稱為冷的區(qū)(連續(xù)式爐)。
[0004]然而，某些粉末落入該冷的液體介質中可能致使粉末濺入大氣(通過液體蒸發(fā))中，從而造成安全風險、使產率較低并且使所得產品的品質不一致。就連續(xù)式爐而言，在溫度升高步驟過程中使用金屬容器(鋼、鎳基合金等)可能在粉末與該容器的材料之間造成化學反應，因而導致所獲得產品中有雜質，這些雜質對某些希望的特性例如電化學性能是有害的。相對于粉末為惰性的一種材料是氧化鋁，但是氧化鋁不能承受熱沖擊并且因此在淬火之后破裂。另外，有時有必要使粉末得到強制冷卻而不是就像通過連續(xù)式爐獲得的那樣得到簡單快速的冷卻。
[0005]在焦炭(為粉末)淬火的情況下，這種焦炭以掉落方式離開該爐時被冷卻，在此過程中熱量與空氣(干過程)交換和/或與水(濕過程)交換。然而，這樣的方法使得大型笨重的裝置不適合用于淬火有限量的粉末形式材料。
[0006]本發(fā)明的一個目的是著手解決以上列出的技術問題。本發(fā)明的具體目的是提出一種熱處理裝置以及對應的方法，該裝置和方法允許粉末形式材料被簡單且安全地淬火而同時限制雜質出現(xiàn)在所得產品中。
[0007]本發(fā)明的一個方面提出了一種用于粉末形式材料的熱處理裝置，該裝置包括一個具有加熱區(qū)的熱處理爐以及一個淬火儲箱。該淬火儲箱包括至少部分地填充有多個固體元件的一個容器，并且該熱處理爐被安裝成使得它是可移動的，從而該熱處理爐的內容物可以被轉移至該淬火儲箱。
[0008]因此，由于使用多個固體元件(例如球)而不是液體，所以能夠在可能具有小尺寸的容器中進行淬火而同時限制任何濺出或在所得產品中出現(xiàn)雜質。具體地講，使用多個固體元件允許這些粉末被冷卻而不形成氣相(這是在液體中淬火的情況下造成濺出的原因)。這些固體元件能夠承受超過1000°c的溫差。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，這些固體元件自由地安裝在該容器中。換言之，這些固體元件未被固定至該容器上。
[0010]優(yōu)選地，這些固體元件預先被冷卻。因此，它們可以處于低于-10°C、更優(yōu)選地低于-100°c并且還更優(yōu)選地低于-150°c的溫度。這些固體元件例如可以通過液氮被冷卻，液氮的沸點接近-200°C。
[0011]多個優(yōu)選地是指η個固體元件，η包含在2與100000之間并且更優(yōu)選地包含在100與10000之間。這些固體元件可以是相同或不同的。
[0012]這些固體元件的最大尺寸可以小于20cm、優(yōu)選地小于1cm并且還更優(yōu)選地小于3cm。具體而言，在這些固體元件處于球的形式的情況下，這些球的直徑可以包含在0.1cm與3cm之間、典型地在0.5cm與3cm之間。小的尺寸尤其使之有可能增大這些固體元件與粉末之間的接觸面積并且因此提高淬火功效。
[0013]因此，為了促進這些固體元件與粉末之間的接觸，優(yōu)選的是使球體積與粉末體積的比率在30與1000之間、優(yōu)選地在200與700之間。
[0014]優(yōu)選地，該容器能夠經受攪動運動。該攪動運動可以是旋轉運動或振動運動。因此，可能與有待淬火的粉末材料相接觸的固體元件的數(shù)目增加，因此該淬火儲箱中的固體元件的冷卻面積也是如此。
[0015]優(yōu)選地，該淬火儲箱還包括一個用于旋轉該容器的旋轉驅動器件或一個振動器件。該容器可以具有圓柱形狀并且該旋轉驅動器件可以包括兩個滾輪，這兩個滾輪連接至一個驅動馬達上并且該容器安裝在這兩個滾輪上。因此該旋轉驅動器件可以充當支撐器件以及旋轉該容器的器件。
[0016]優(yōu)選地，該旋轉驅動器件能夠使該容器圍繞一條軸線旋轉，該軸線相對于豎直方向形成了大于5°、例如在5°與70°之間、優(yōu)選地在20°與60°之間并且還更優(yōu)選地在40°與50°之間的角度。該旋轉驅動器件允許包含在該容器內的這些固體元件的溫度均衡(尤其通過將它們混合)、并且還允許經冷卻的粉末解聚，同時實現(xiàn)粉末在整個容器的最佳分散。
[0017]優(yōu)選地，該熱處理爐是具有水平主軸線的管式爐，該爐被安裝在一個樞轉支柱上，該樞轉支柱能夠使該爐的軸線傾斜以允許該爐的內容物在重力作用下轉移至該淬火儲箱中。
[0018]優(yōu)選地，當該粉末被轉移至該淬火儲箱中時，不提供額外的轉移元件，這樣使得該粉末除了在該淬火儲箱的容器中所提供的那些之外沒有遇到其他的固體元件。換言之，該爐的內容物在重力作用下轉移至該淬火儲箱中可以直接進行，而在該爐與該淬火儲箱之間沒有定位額外的轉移元件。因此該粉末可以直接從該爐掉落至該淬火儲箱中。
[0019]優(yōu)選地，該熱處理爐的加熱區(qū)包括由氧化鋁制成的一個軸向管。
[0020]優(yōu)選地，這些固體元件是例如由鋼制成的球。
[0021]在另一方面，本發(fā)明還涉及一種用于粉末形式材料的熱處理方法，在該方法中:
[0022]-加熱該材料，將其保持在處理溫度下一段預定時長，
[0023]-將該材料通過與多個之前被冷卻的固體元件相接觸來進行冷卻。
[0024]更具體地，根據(jù)該方法，通過如上文所描述的將該材料轉移至淬火儲箱中來將該材料冷卻。
[0025]優(yōu)選地，該多個固體元件是通過與液氮相接觸而被冷卻的。例如，該多個固體元件可以預先在兩個階段中被冷卻，這是通過使它們連續(xù)地與液氮接觸兩次。
[0026]為了完成這點，可以使這些固體元件在該淬火儲箱的容器之外與液氮相接觸、然后在淬火之前引入該淬火儲箱中。在一個優(yōu)選的替代方案中，將該液氮添加至已經包含這些固體元件的淬火儲箱的容器中，并且旋轉該容器以有助于使該多個固體元件的溫度均衡。
[0027]當然，在淬火之前，采取了多個步驟來確保用于冷卻這些固體元件的液氮從該淬火儲箱的容器中完全蒸發(fā)出來。
[0028]有待使用的液氮的量可以由本領域技術人員參照該容器和這些固體元件的尺寸容易地確定。
[0029]優(yōu)選地，在該粉末形式材料被淬火時將這些固體元件在容器中旋轉或通過振動進行攪動。
[0030]優(yōu)選地，經冷卻的材料通過篩選而與這些固體元件分離。在這種情況下，將粉末設置成具有比這些固體元件的大小小得多的粒徑。通常，該粉末具有1nm與500 μπι之間、優(yōu)選地在1nm與100 μ m之間的粒徑。
[0031]本發(fā)明的另一方面提出了該方法在制造電池的粉末形式活性材料中的應用?；钚圆牧暇唧w是指嵌鋰材料。
[0032]本發(fā)明的一個具體方面提出了富鋰的層狀氧化物、例如富鋰的層狀氧化錳鎳鎂的制造，其中通過使用上文所描述的方法在一種混合的碳酸鋰錳鎳鎂上進行熱處理。
[0033]富鋰的氧化錳鎳鎂類型的富鋰的層狀氧化物可以被用作用于鋰離子電池的正極材料并且更具體用于需要高能量的應用中、例如電動車輛中。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該層狀類型的氧化物對應于以下通式:
[0035]XLi2MnO3 (l_x) LiM1aM2bM3cO2
[0036]其中:
[0037]-0〈χ〈1
[0038]-M1是選自由Mn、N1、Co、Fe、T1、Cr、V和Cu組成的第一組中的化學元素，
[0039]-M3是選自由Mg、Zn、Al、Na、Ca、L1、K、Sc、B、C、S1、P和S組成的第二組中的至少一種化學元素，
[0040]-M2是選自該第一組和該第二組中的一種化學元素并且與M 1和M3不同，
[0041 ] -a+b+c = 1，其中 a、b 和 c 不為零。
[0042]根據(jù)一個實施例，X等于0.75。
[0043]本發(fā)明最后涉及特別用于機動車輛的一種蓄電池，該蓄電池包括至少一個包含根據(jù)上文所描述的