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锂电池正负极材料的研发,本质上是一个反复试错的过程:新的原料配方、新的烧结温度、新的气氛比例,都需要先做小试验证。如果直接在生产线上试验,一炉料就是几吨,试错成本太高,而且会打乱正常生产节奏。所以材料实验室都需要小型的气氛实验炉,一次只处理几十克到几百克样品,升温快、升降温灵活,方便快速试验不同工艺。
和普通的马弗炉不一样,锂电实验炉需要严格控制气氛:磷酸铁锂烧结要通氮气,高镍三元要通氧气,有些还原试验要通氢气,普通马弗炉只能在空气里烧,根本满足不了锂电材料的试验需求。而且锂电实验炉的温场要和量产线一致,这样小试验出来的工艺参数,放大到生产线上才不会出大问题。

锂电实验炉一般是箱式结构,炉膛体积小,升温速度快,从室温升到800℃只要30分钟左右,比生产窑炉快很多,做试验效率高。炉膛里配了多组硅碳棒加热元件,上下左右均匀布置,保证小炉膛里的温场均匀,整个有效加热区的温差控制在±3℃以内,这样小样品的受热才均匀,试验结果才可靠。
气路系统是实验炉的核心,一般配三路进气:氮气、氧气、氩气,有的还配氢气路,可以精确调节各路气体的流量,混合之后进到炉膛里,炉内保持微正压,防止空气渗入。炉膛前后都有密封结构,装完样品之后关门,抽一次真空再充入保护气,把炉里的空气排干净,保证试验气氛的纯度。

控制系统是可编程的,研究员可以自己编升温曲线:从室温升到300℃,升温速率2℃/min,保温1小时;再升到750℃,升温速率3℃/min,保温10小时;然后降温到500℃,再随炉冷却。整个过程自动运行,不用人盯着,到点自动停止,试验完了拿出来做性能测试就行。
很多实验室买了实验炉做试验,结果工艺放大到生产线上,材料性能差很多,原因就是实验炉和量产窑的温场、气氛不一致。量产窑是几十米长的推板窑,物料在里面十几个小时慢慢走过去,而实验炉是小炉膛,样品直接放在炉膛里,升温速率、气氛交换速度都不一样。
所以好的锂电实验炉,设计的时候就会参考量产窑的温场参数:炉膛里的温场均匀性、升温速率范围、气氛纯度要求,都和量产窑保持一致,这样小试验出来的工艺参数,比如烧结温度、保温时间、气氛比例,放大到生产线上就不会跑偏。东莞志远工业设备在设计实验炉的时候,就是对照自己量产推板窑的参数做的,小试数据和量产数据对应性好。

做负极材料研发,实验炉主要是通氮气,做人造石墨碳化、硬碳烧结,要求炉内氧含量低;做三元正极研发,实验炉要能通氧气,做高镍材料的烧结试验;做还原试验的话,还要配氢气路,并且有防爆设计,因为氢气是易燃易爆气体。不同的研究方向,实验炉的气路配置不一样,客户可以根据自己的研究内容选配。
实验炉的操作也要简单,研究员放完样品,编好曲线就可以去做别的,不用一直守着,出现超温、断气这些异常,炉子会自动报警并切断加热,安全可靠。

锂电材料研发阶段,专用的气氛实验炉是必不可少的设备,它可以低成本、高效率地验证新配方和新工艺,参数和量产线匹配,帮助研发团队快速迭代材料。东莞志远工业设备开发了系列锂电研发气氛实验炉,支持不同气路配置,提供工艺调试和打样服务,欢迎科研单位和企业研发部门咨询选型。

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