CN103754959B - 一种大颗粒球形四氧化三钴的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大颗粒球形四氧化三钴的制备方法，包括将络合剂与还原剂混合制备形成混合溶液；将钴盐溶液、沉淀剂溶液和所述混合溶液在pH值9-12、温度40-70℃条件下共同搅拌混合，搅拌速度为700-1500r/min，得到前驱体；将所述前驱体洗涤、过滤后，在500-800℃焙烧3-6h即可。通过本发明制备得到的四氧化三钴球形度高，并且颗粒粒径大，振实密度高，适合制作钴酸锂电极材料，进而由上述钴酸锂电极制备得到的锂离子电池能量密度大、性能高。
Description
技术领域
本发明涉及一种大颗粒球形四氧化三钴的制备方法，属于氧化钴制备技术领域。
背景技术
四氧化三钴是制备锂离子二次电池正极材料钴酸锂的主要原料。一直以来，研究者都在致力于制备球形大颗粒四氧化三钴作电极原料，这是由于大颗粒四氧化三钴制备的钴酸锂颗粒粒径大、比表面积小，所制作的钴酸锂电极与电解液的实际接触面积小，不易发生氧化还原反应，从而降低了电极材料的消耗；而且，球形四氧化三钴制得的钴酸锂为球形或类球形颗粒，这种形状的钴酸锂颗粒的振实密度和压实密度高，所压制钴酸锂电极的能量密度高，能够显著提高电池性能。如中国专利文献CN101200308A公开了一种电池用四氧化三钴的制备方法，包括：1）制备浓度为50-150g/L的钴溶液；2）向上述钴溶液中按钴质量的0.05-10%加入氨水、聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）、聚乙烯醇（PVA）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、聚乙二醇（PEG）1000、水溶性淀粉中的至少一种形成络合钴盐溶液；3）使用碳酸氢铵或碳酸铵配制成80-230g/L的沉淀剂溶液；4）将络合钴盐溶液和超过理论当量10-30%的沉淀剂溶液，采用并流加料法加入反应釜，控制反应温度为30-90度、pH=5-9、搅拌速度为400-2000rpm，最终形成前驱体；5）上述前驱体经过滤、洗涤、干燥、焙烧后得到电池用四氧化三钴。
上述技术采用络合钴盐和沉淀剂并流法一定程度上提高了四氧化三钴颗粒的均匀性和球形度；但是得到的四氧化三钴颗粒球形度仍然不够，导致其振实密度和压实密度偏低，所压制的钴酸锂电极能量密度低；同时，上述四氧化三钴颗粒粒径小、比表面积大，由其制作的钴酸锂电极与电解液的实际接触面积大，钴酸锂电极容易与电解液发生反应，导致电极材料被大量消耗，锂离子二次电池的性能降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中通过沉淀-热分解法制备得到的电池用四氧化三钴由于球形度不够和粒径小，由其制备得到的钴酸锂电极能量密度低以及容易与电解液之间发生反应，从而导致制备得到的锂离子二次电池能量密度低和电极材料易消耗的问题；进而提出一种提高锂离子二次电池能量密度和降低电极材料消耗的大颗粒球形四氧化三钴的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种大颗粒球形四氧化三钴的制备方法，其包括：
（1）将络合剂与还原剂混合制备形成混合溶液；
（2）将钴盐溶液、沉淀剂溶液和所述混合溶液在pH值9-12、温度40-70℃条件下共同搅拌混合，搅拌速度为700-1500r/min，得到前驱体；
（3）将所述前驱体洗涤、过滤后，在500-800℃焙烧3-6h即可。
所述搅拌速度为900-1200r/min。
步骤（2）中共同搅拌混合时，所述钴盐溶液的流量为100-250L/h，所述沉淀剂溶液的流量为50-150L/h，所述混合溶液的流量为10-50L/h。
所述混合溶液中络合剂的含量为0.3-5mol/L，所述混合溶液中还原剂的含量为0.05-0.2mol/L。
以钴离子的摩尔量计，所述钴盐溶液的浓度为1-2mol/L。
所述沉淀剂溶液的浓度为4-8mol/L。
所述络合剂为乙二胺、EDTA、酒石酸、柠檬酸、草酸和氨水中的一种或几种的混合；所述还原剂为水合肼溶液或硫代硫酸钠。
所述钴盐为硫酸钴和氯化钴的一种或两种的混合。
所述沉淀剂为氢氧化钠和氢氧化钾的一种或两种的混合。
在上述制备方法的基础上，还包括将步骤（3）所得物质的磁性异物含量去除至300ppb以下。
本发明与现有技术方案相比具有以下有益效果：
（1）本发明所述的大颗粒球形四氧化三钴的制备方法，其包括将络合剂和还原剂混合制备形成混合溶液；接着将制备好的钴盐溶液、沉淀剂溶液和混合溶液在pH值9-12、温度40-70℃条件下共同搅拌混合，搅拌速度为700-1500r/min得到前驱体，在混合过程中，还原剂保证了钴在溶液中的二价态，由于氢氧化亚钴的平衡常数(溶度积)（ksp=1.6x10-15）比氢氧化钴的大，因此在沉淀初期产生的氢氧化亚钴晶核较少，溶液中的二价钴离子浓度较高，高速搅拌、温度和pH值的作用会进一步促使二价钴离子作为晶核生长的原料，供应晶体进一步长大，同时，在络合剂的存在下，还能使一部分不规则的晶体溶解，使氢氧化亚钴颗粒成为球形，最终形成球形大颗粒的氢氧化亚钴前驱体；最后将前驱体洗涤、过滤后，在500-800℃焙烧3-6h得到球形大颗粒的四氧化三钴，上述球形大颗粒的四氧化三钴制备得到的钴酸锂电极能量密度高并降低了其与电解液之间的反应，提高了由其制备得到的锂离子二次电池的能量密度和使用性能，解决了现有技术中因四氧化三钴球形度不够和粒径小，由其制备得的钴酸锂电极能量密度低以及与电解液之间反应能量高，导致制备得到的锂离子二次电池能量密度低和电极材料易消耗的问题。
（2）本发明所述的大颗粒球形四氧化三钴的制备方法，步骤（2）中，所述搅拌速度为900-1200r/min，所述钴盐溶液的流量为100-250L/h，所述沉淀剂溶液的流量为50-150L/h，所述混合溶液的流量为10-50L/h。通过进一步控制搅拌速度和溶液流量在上述范围内，得到的氢氧化亚钴前驱体的粒径最大，颗粒形状更为规则，焙烧后，得到的四氧化三钴的D50为14-20μm，大于现有技术制备得到的四氧化三钴的D504-9μm。
（3）本发明所述的大颗粒球形四氧化三钴的制备方法，通过将步骤（3）所得物质的磁性异物含量去除至300ppb以下，得到纯度更高的大颗粒球形四氧化三钴。
（4）本发明所述的大颗粒球形四氧化三钴的制备方法，可以将洗涤、过滤完的前驱体直接焙烧，减少了干燥步骤，不仅节约了能源，而且提高了效率。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被理解，本发明结合附图和具体实施方式对本发明的内容进行进一步的说明；
图1是实施例4制备得到的四氧化三钴的SEM图；
图2是对比例1制备得到的四氧化三钴的SEM图。
具体实施方式
实施例1
（1）配制1.0mol/L的硫酸钴（CoSO4）水溶液；
（2）配制4.0mol/L的氢氧化钠水溶液；
（3）用去离子水将乙二胺和水合肼配制成混合溶液，所述混合溶液中含有0.3mol/L的乙二胺、0.05mol/L的水合肼；
（4）将上述硫酸钴（CoSO4）溶液、氢氧化钠溶液和混合溶液分别以流量为250L/h、100L/h和50L/h的速度加入到反应釜中，控制反应温度为40℃，反应pH为9，搅拌速度为700rpm/min，反应12h制得前驱体；
（5）将上述前驱体经去离子水洗涤、过滤后，在800℃下焙烧6h，得到四氧化三钴A。
实施例2
（1）配制1.0mol/L的氯化钴（CoCl2）水溶液；
（2）配制5.0mol/L的氢氧化钠水溶液；
（3）用去离子水将EDTA和硫代硫酸钠配制成混合溶液，所述混合溶液中含有0.5mol/L的EDTA、0.1mol/L的硫代硫酸钠；
（4）将上述氯化钴（CoCl2）溶液、氢氧化钾溶液和混合溶液分别以流量为150L/h、150L/h和40L/h的速度加入到反应釜中，控制反应温度为50℃，反应pH为10，搅拌速度为900rpm/min，反应13h制得前驱体；
（5）将上述前驱体经去离子水洗涤、过滤后，在800℃下焙烧5h，得到四氧化三钴B。
实施例3
（1）配制2.0mol/L的硫酸钴（CoSO4）水溶液；
（2）配制6.0mol/L的氢氧化钾水溶液；
（3）用去离子水将酒石酸和水合肼配制成混合溶液，所述混合溶液含有1.0mol/L的酒石酸、0.15mol/L的水合肼；
（4）将上述硫酸钴（CoSO4）溶液、氢氧化钾溶液和混合溶液分别以流量为100L/h、120L/h和30L/h的速度加入到反应釜中，控制反应温度为60℃，反应pH为11，搅拌速度为1000rpm/min，反应14h制得前驱体；
（5）将上述前驱体经去离子水洗涤、过滤后，在700℃下焙烧4h，得到四氧化三钴C。
实施例4
（1）配制1.5mol/L的氯化钴（CoCl2）水溶液；
（2）配制7.0mol/L的氢氧化钠水溶液；
（3）用去离子水将柠檬酸和硫代硫酸钠配制成混合溶液，所述混合溶液中含有2.0mol/L的柠檬酸、；0.2mol/L的硫代硫酸钠；
（4）将上述氯化钴（CoCl2）溶液、氢氧化钠溶液和混合溶液分别以流量为200L/h、130L/h和20L/h的速度加入到反应釜中，控制反应温度为70℃，反应pH为12，搅拌速度为1200rpm/min，反应12h制得前驱体；
（5）将上述前驱体经去离子水洗涤、过滤后，在800℃下焙烧3h，得到四氧化三钴D。
实施例5
（1）配制2.0mol/L的硫酸钴（CoSO4）水溶液；
（2）配制8.0mol/L的氢氧化钠水溶液；
（3）用去离子水将草酸和水合肼配制成混合溶液，所述混合溶液中含有3.0mol/L的草酸、0.1mol/L的水合肼；
（4）将上述硫酸钴（CoSO4）溶液、氢氧化钠溶液和混合溶液分别以流量为100L/h、50L/h和10L/h的速度加入到反应釜中，控制反应温度为60℃，反应pH为9，搅拌速度为1500rpm/min，反应15h制得前驱体；
（5）将上述前驱体经去离子水洗涤、过滤后，在500℃下焙烧4h，得到四氧化三钴E。
实施例6
（1）配制2.0mol/L的氯化钴（CoCl2）水溶液；
（2）用去离子水将氢氧化钠和氢氧化钾配制成沉淀剂溶液，所述沉淀剂溶液中含有2.5mol/L的氢氧化钠、2.5mol/L的氢氧化钾；
（3）用去离子水将氨水和硫代硫酸钠配制成混合溶液，所述混合溶液中含有4.0mol/L的氨、0.15mol/L的硫代硫酸钠；
（4）将上述氯化钴（CoCl2）溶液、沉淀剂溶液和混合溶液分别以流量为200L/h、70L/h和20L/h的速度加入到反应釜中，控制反应温度为50℃，反应pH为10，搅拌速度为1000rpm/min，反应12h制得前驱体；
（5）将上述前驱体经去离子水洗涤、过滤后，在700℃下焙烧3h，得到四氧化三钴F。
实施例7
（1）用去离子水将氯化钴（CoCl2）和硫酸钴（CoSO4）配制成钴盐溶液，所述钴盐溶液中含有0.75mol/L的氯化钴（CoCl2）、0.75mol/L的硫酸钴（CoSO4）；
（2）配制6.0mol/L的氢氧化钾水溶液；
（3）用去离子水将柠檬酸和水合肼配制成混合溶液，所述混合溶液中含有5.0mol/L的柠檬酸、0.2mol/L的水合肼；
（4）将上述钴盐溶液、氢氧化钾溶液和混合溶液分别以流量为250L/h、90L/h和30L/h的速度加入到反应釜中，控制反应温度为50℃，反应pH为9，搅拌速度为1200rpm/min，反应12h制得前驱体；
（5）将上述前驱体经去离子水洗涤、过滤后，在800℃下焙烧3h，得到四氧化三钴G。
实施例8
（1）配制1.0mol/L的氯化钴（CoCl2）水溶液；
（2）配制5.0mol/L的氢氧化钠水溶液；
（3）用去离子水将柠檬酸、酒石酸和水合肼配制成混合溶液，所述混合溶液中含有2.0mol/L的柠檬酸、2.0mol/L的酒石酸、0.1mol/L的水合肼；
（4）将上述氯化钴（CoCl2）溶液、氢氧化钠溶液和混合溶液分别以流量为150L/h、100L/h和30L/h的速度加入到反应釜中，控制反应温度为60℃，反应pH为10，搅拌速度为1000rpm/min，反应12h制得前驱体；
（5）将上述前驱体经去离子水洗涤、过滤后，在600℃下焙烧4h，得到四氧化三钴H。
对比例1
采用含钴矿料为原料，经浸出净化后，制备得到100g/L的钴溶液；向上述钴溶液中按钴质量的5%加入氨水形成络合钴盐溶液；选用碳酸氢铵作为沉淀剂，制备成150g/L的沉淀剂溶液；将络合钴盐溶液和超过理论当量20%的沉淀剂溶液采用并流加料法加入反应釜，控制反应温度为60℃，反应pH为9.0，搅拌速度为400rpm/min，得到前驱体；将上述前驱体过滤、洗涤和干燥后，送入煅烧炉在900℃下热分解得到四氧化三钴I。
对比例2
（1）配制1.5mol/L的氯化钴（CoCl2）水溶液；
（2）配制7.0mol/L的氢氧化钠水溶液；
（3）配制2.0mol/L的柠檬酸水溶液；
（4）将上述氯化钴（CoCl2）溶液、氢氧化钠溶液和柠檬酸水溶液分别以流量为200L/h、130L/h和20L/h的速度加入到反应釜中，控制反应温度为70℃，反应pH为12，搅拌速度为1200rpm/min，反应12h制得前驱体；
（5）将上述前驱体经去离子水洗涤、过滤后，在800℃下焙烧3h，得到四氧化三钴J。
对比例3
（1）配制1.0mol/L的硫酸钴（CoSO4）水溶液；
（2）配制4.0mol/L的氢氧化钠水溶液；
（3）配制0.05mol/L的水合肼水溶液；
（4）将上述硫酸钴（CoSO4）溶液、氢氧化钠溶液和水合肼水溶液分别以流量为250L/h、100L/h和50L/h的速度加入到反应釜中，控制反应温度为40℃，反应pH为9，搅拌速度为700rpm/min，反应12h制得前驱体；
（5）将上述前驱体经去离子水洗涤、过滤后，在500℃下焙烧6h，得到四氧化三钴K。
对比例4
采用含钴矿料为原料，经浸出净化后，制备得到100g/L的钴溶液；向上述钴溶液中按钴质量的5%加入氨水形成络合钴盐溶液；选用碳酸氢铵作为沉淀剂，制备成150g/L的沉淀剂溶液；选用水合肼作为还原剂，制备成16g/L的还原剂溶液；将络合钴盐溶液、还原剂溶液和超过理论当量20%的沉淀剂溶液按照流量为100L/h、80L/h和20L/h的速度加入反应釜，控制反应温度为60℃，反应pH为9.0，搅拌速度为400rpm/min，得到前驱体；将上述前驱体过滤、洗涤和干燥后，送入煅烧炉在900℃下热分解得到四氧化三钴L。
对比例5
采用含钴矿料为原料，经浸出净化后，制备得到100g/L的钴溶液；向上述钴溶液中加入水合肼形成混合溶液，所述混合溶液中还含有16g/L的水合肼；选用碳酸氢铵作为沉淀剂，制备成150g/L的沉淀剂溶液；配制5wt%的氨水溶液作为络合剂溶液；将上述混合溶液、络合剂溶液、和超过理论当量20%的沉淀剂溶液按照流量为100L/h、80L/h和20L/h的速度加入反应釜，控制反应温度为60℃，反应pH为9.0，搅拌速度为400rpm/min，得到前驱体；将上述前驱体过滤、洗涤和干燥后，送入煅烧炉在900℃下热分解得到四氧化三钴L。
测试例
1、四氧化三钴微观形貌分析：
本发明实施例4的四氧化三钴D和对比例1的四氧化三钴I的扫描电镜照片如图1-2所示。
从图1和2中可以看出，本发明实施例4制备得到的四氧化三钴D的球形度高于对比例1制备得到的四氧化三钴I，因而本发明制备得到的球形四氧化三钴更加适合制备钴酸锂电极材料，含有上述钴酸锂电极的锂离子电池的能量密度更高。
2、振实密度的对比分析
将本发明实施例和对比例制备得到的四氧化三钴A-H和I-M通过ZS-201振实密度仪（辽宁仪表研究所有限责任公司）测定振实密度，测定结果见表1。
表1
| 四氧化三钴 | 振实密度(g/cm3) |
| A | 2.40 |
| B | 2.42 |
| C | 2.52 |
| D | 2.72 |
| E | 2.46 |
| F | 2.55 |
| G | 2.67 |
| H | 2.45 |
| I | 2.13 |
| J | 2.28 |
| K | 1.89 |
| L | 2.36 |
| M | 2.04 |
由表1中结果可以看出，本发明制备得到的四氧化三钴的振实密度要高于对比例制备得到的四氧化三钴的振实密度，说明本发明制备得到的四氧化三钴更加适合制备钴酸锂电极，进而提高含有上述钴酸锂电极的锂离子电池的能量密度。而对比例3和对比例5制备得到的四氧化三钴的振实密度最低，说明其微观形貌最不规则。
3、粒径的对比分析
将本发明实施例和对比例制备得到的四氧化三钴A-H和I-M通过MS2000粒度仪（生产厂家：Malvern）测定粒径（D50），测定结果见表2。
表2
| 四氧化三钴 | D50/（μm） |
| A | 14.1 |
| B | 19.5 |
| C | 17.1 |
| D | 14.5 |
| E | 16.7 |
| F | 14.9 |
| G | 16.4 |
| H | 18.2 |
| I | 8.2 |
| J | 5.6 |
| K | 3.4 |
| L | 7.6 |
| M | 9.0 |
由表2中结果可以看出，本发明制备得到的四氧化三钴的粒径D50在14-20μm，高于对比例制备得到的四氧化三钴的粒径，说明本发明制备得到的四氧化三钴更加适合制备钴酸锂电极，进而减少含有上述钴酸锂电极的锂离子电池中电解液与电极的接触面积，减少了电极与电解液之间的反应，降低了电极材料的消耗，提高了锂离子二次电池的性能。
虽然本发明已经通过上述具体实施例对其进行了详细的阐述，但是，本专业普通技术人员应该明白，在此基础上所做出的未超出权利要求保护范围的任何形式和细节的变化，均属于本发明所要保护的范围。
Claims (6)
1.一种大颗粒球形四氧化三钴的制备方法，包括如下步骤，
（1）将络合剂与还原剂混合制备形成混合溶液；
（2）将钴盐溶液、沉淀剂溶液和所述混合溶液在pH值9-12、温度40-70℃条件下共同搅拌混合，搅拌速度为700-1500r/min，得到前驱体；
所述钴盐溶液的流量为10-25L/h，所述沉淀剂溶液的流量为50-150L/h，所述混合溶液的流量为10-50L/h；
所述混合溶液中络合剂的含量为0.3-5mol/L，所述混合溶液中还原剂的含量为0.05-0.2mol/L；
以钴离子的摩尔量计，所述钴盐溶液的浓度为1-2mol/L；
所述沉淀剂溶液的浓度为4-8mol/L；
（3）将所述前驱体洗涤、过滤后，在500-800℃焙烧3-6h即可。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌速度为900-1200r/min。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述络合剂为乙二胺、EDTA、酒石酸、柠檬酸、草酸和氨水中的一种或几种的混合；所述还原剂为水合肼溶液或硫代硫酸钠。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述钴盐为硫酸钴和氯化钴的一种或两种的混合。
5.根据权利要求1或2或4所述的制备方法，其特征在于，所述沉淀剂为氢氧化钠和氢氧化钾的一种或两种的混合。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，还包括将步骤（3）所得物质的磁性异物含量去除至300ppb以下。
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