固態電池粉氣流混合配料系統，無接觸混合，氣流混合機

固態電池粉末的氣流混合配料系統是一種基于氣固兩相流原理的無接觸式混合技術，特別適用于**高純度要求、易吸濕氧化、納米級分散**的固態電池原料（如硫化物電解質、金屬鋰粉、納米級復合正極材料）。該系統通過惰性氣體（如氬氣、氮氣）攜帶粉末流態化，利用湍流效應實現均勻混合，避免傳統機械混合的接觸污染、顆粒破碎及粘料問題。以下是其核心技術、系統設計及應用要點的詳細解析：

### **一、氣流混合配料系統核心原理與優勢**

#### **1. 工作原理**

- **氣固流態化**：通過高壓惰性氣體（氣壓0.1-0.5MPa）從底部或側部噴嘴噴入混合腔，使粉末顆粒懸浮形成類似流體的“流化床”狀態。  

- **湍流混合**：高速氣流（流速5-20m/s）帶動粉末產生渦流、碰撞和擴散，利用**對流混合**（宏觀尺度）與**擴散混合**（微觀尺度）雙重機制實現均勻分散。  

- **動態稱重配料**：結合失重式計量或科里奧利質量流量計，實時監測氣流中的粉末質量流量，通過閉環控制調整各組分供料速率（精度±0.5%）。

#### **2. 技術優勢**

| **傳統機械混合**       | **氣流混合配料系統**         |

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| 接觸式攪拌，易磨損、粘料 | 無機械接觸，避免金屬污染與物料粘附 |

| 納米級粉末易團聚        | 氣流剪切力分散團聚，粒徑分布偏差<5% |

| 需防爆設計（如鋰粉）    | 全封閉惰性氣氛，本質**防爆 |

| 混合時間長（10-30min）  | 快速混合（3-5min），適合連續生產 |

| 環境濕度控制難          | 氣流可預干燥（露點<-40℃），濕度<0.1ppm |

### **二、系統組成與關鍵設計要素**

#### **1. 硬件系統架構**

```mermaid

graph LR

A[原料儲罐群] --> B[精密計量閥組]

B --> C[氣流發生裝置]

C --> D[混合反應腔]

D --> E[粒度/成分在線監測]

E --> F{合格?}

F -->|是| G[成品緩存罐]

F -->|否| H[循環混合管路]

```

#### **2. 關鍵模塊設計**

##### **（1）氣源與氣體處理**

- **氣體類型**：高純氬氣（純度99.999%）或氮氣，需經**脫氧干燥機**（露點<-70℃）和**過濾器**（精度0.01μm）處理。  

- **氣流控制**：  

 - **文丘里噴嘴**：產生高速氣流（馬赫數0.3-0.8），形成局部負壓吸入粉末。  

 - **脈沖氣流閥**：周期性啟停氣流，增強粉末流化擾動，避免“死體積”堆積。

##### **（2）粉末計量與輸送**

- **失重式計量模塊**：  

 - 每個原料罐配備高精度稱重傳感器（分辨率0.01g），通過失重速率計算實時供料量，聯動調節螺旋給料機轉速（精度±0.2%）。  

 - 適用物料：流動性較好的粉末（如Li?PS?、LiCoO?）。  

- **科里奧利質量流量計**：直接測量氣流中粉末質量流量，響應時間<50ms，適用于低流動性粉末（如硅基負極）。

##### **（3）混合反應腔**

- **結構設計**：  

 - **倒錐型腔體**：底部窄、頂部寬，延長粉末停留時間（5-10s），增強混合效率。  

 - **內襯材料**：采用聚四氟乙烯（PTFE）或氧化鋯陶瓷，表面粗糙度Ra<0.2μm，防止物料吸附。  

- **混合強度調控**：  

 - 通過調節氣流壓力（0.1-0.3MPa）和噴嘴角度（30°-60°），控制湍流強度，避免過度粉碎（如硫化物電解質粒徑保留率>95%）。

##### **（4）在線監測與閉環控制**

- **激光衍射粒度儀**：實時測量混合粉末的D50、D90值，反饋至PLC系統調整混合時間（目標偏差<±2%）。  

- **拉曼光譜儀**：原位分析成分分布均勻性，通過特征峰強度差判斷混合終點（如Li?S與P?S?的峰強比波動<1%）。  

- **PLC/DCS系統**：預設多段氣流參數（如先高速分散1min，再低速均化2min），支持配方一鍵切換。

### **三、典型工藝流程與應用場景**

#### **1. 硫化物固態電池正極配料流程**

```plaintext

原料準備：LiCoO?（D50=5μm）、Li?PS?（D50=80nm）、碳黑（D50=50nm）按質量比8:1:1  

↓  

氣流混合步驟：  

1. 氬氣經干燥后分為兩路：主氣流（0.2MPa）進入混合腔，輔氣流（0.1MPa）吹掃原料罐  

2. 失重式計量閥按比例同步釋放三種粉末，隨主氣流進入倒錐腔  

3. 高速氣流（15m/s）沖擊形成湍流，混合3min后降至低速（5m/s）均化1min  

4. 在線激光粒度儀檢測D50=2.3μm，分布跨度<1.2，判定合格后出料  

```

#### **2. 金屬鋰粉與固態電解質混合（防爆場景）**

- **特殊設計**：  

 - 全系統接地防靜電，混合腔設泄爆片（爆破壓力0.2MPa）。  

 - 氣流出口設**袋式除塵器**（過濾精度0.3μm），收集的粉塵通過惰性氣體輸送至回收罐。  

- **應用優勢**：避免鋰粉與機械部件摩擦產生熱量，混合過程溫度上升<5℃，抑制鋰粉氧化（表面Li?O含量<0.5%）。

### **四、技術挑戰與優化方向**

#### **1. 現存瓶頸**

- **能耗較高**：氣流混合能耗約為機械混合的2-3倍（每公斤物料耗電0.5-1kWh），需開發節能型壓縮機與熱回收系統。  

- **粘性粉末適應性差**：含水率>0.1%的粉末易結塊，需前置干燥工序（如真空烘箱預處理，含水率<0.05%）。  

- **大規模產能受限**：現有設備混合腔容積多<50L，需放大至1000L級并解決氣流分布均勻性問題。

#### **2. 前沿技術突破**

- **脈沖氣流調制技術**：通過高頻脈沖氣流（頻率50-100Hz）產生振蕩流化床，增強納米級粉末（<50nm）的擴散混合，均勻度提升至99.5%。  

- **分級混合工藝**：**粗混（氣流速度12m/s）快速分散大顆粒，二級精混（氣流速度3m/s）通過聲波振動（頻率20kHz）消除微團聚。  

- **AI-Optimized混合模型**：基于機器學習訓練混合參數（氣流壓力、時間、組分比例）與均勻性的映射關系，良率提升15%，能耗降低20%。

### **五、設備選型與供應商推薦**

#### **1. 選型關鍵參數**

| **指標**         | **實驗室級**       | **中試級**         | **量產級**         |

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| 單次處理量       | 0.1-5kg           | 10-50kg           | 100-1000kg        |

| 氣流壓力         | 0.1-0.2MPa        | 0.2-0.3MPa        | 0.3-0.5MPa        |

| 混合均勻度（CV） | <3%               | <2.5%             | <2%               |

| 惰性氣氛露點     | <-40℃             | <-50℃             | <-60℃             |

#### **2. 主流供應商**

- **國際廠商**：  

 - **HOSOKAWA ALPINE（德國）**：AEROMIX氣流混合系統，支持納米級粉末分散，配備在線質譜分析模塊。  

 - **Nara Machinery（日本）**：防爆型氣流輸送混合一體機，適用于金屬鋰粉處理，通過ATEX 21/22認證。  

- **國內廠商**：  

 - **天奇股份**：自主研發鋰電專用氣流混合線，混合腔容積達500L，兼容硫化物/氧化物雙體系。  

 - **中科信材（合肥）**：實驗室級惰性氣氛氣流混合裝置，集成手套箱接口，適合高校與研發機構。

### **六、未來發展趨勢**

1. **低碳化**：采用廢熱回收技術（如氣流余熱干燥原料），能耗降低30%以上；探索空氣替代惰性氣體（需解決氧化問題）。  

2. **智能化集成**：與3D視覺檢測結合，實時識別混合腔內壁粘料并自動觸發脈沖吹掃；通過數字孿生模擬不同配方的混合動力學。  

3. **多功能模塊化**：集成粉碎-混合-包覆一體化功能，例如在氣流中引入等離子體處理，原位改善粉末表面潤濕性（如提升Li?PS?與聚合物的界面結合力）。

氣流混合配料系統憑借其無接觸、高精度、低污染的特性，正成為固態電池高敏感材料處理的核心技術之一。隨著設備大型化與智能化的突破，該技術將在GWh級固態電池工廠中實現規模化應用，推動電池生產向綠色化、數字化轉型。