CN105800699A - 一种高球形度大颗粒四氧化三钴的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高球形度大颗粒四氧化三钴的制备方法,以氯化钴、硫酸钴、硝酸钴中的至少一种作为钴盐原料,经净化配制后得到钴盐溶液,以碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸钠、碳酸氢钠中的至少一种作为沉淀剂,以溶液直接沉淀法制备前驱体,采用并流加料法的加料方式加入反应容器内,通过控制溶液注入速度大小、反应温度、搅拌速度、PH值等参数,并采用间歇式结晶工艺和分釜工艺,有效控制前驱体化学杂质和晶体结晶度、粒度、密度等,合成得到沉淀物前驱体,经洗涤、离心,再进行两次烧结,最终得到高球形度大颗粒四氧化三钴。本发明所述方法工艺简单、成本低,制备出来的四氧化三钴截止电压高、振实密度高、稳定性强。

Description

一种高球形度大颗粒四氧化三钴的制备方法
技术领域
本发明涉及一种四氧化三钴的制备方法,具体说是一种高球形度大颗粒四氧化三钴的制备方法,属于二次充电电池材料的技术领域。
背景技术
随着我国经济、科技的不断发展,对能源的使用也随之增加,尤其是工业的迅速发展,对电池能源的消耗较大,产生的危害物质容易造成生态环境的破坏。因此,国家对能源的使用提出更高的要求,不但要求提高能源的使用效率,而且要达到节能减排,加强自然生态保护的目地。因此,改善电池能源设备结构,特别是高纯电池能源材料的制备极为重要。
钴酸锂作为锂离子电池正极材料首先是由Mizushima等人在1980年提出的,与”摇椅式”电池的概念几乎同步提出,到1990年由日本的Sony公司将钴酸锂作为正极材料合成了商品化的锂离子二次电池。
锂离子电池因其电压高、能量密度高、循环寿命长、环境污染小等优点倍受青睐。近年来,随着小型可移动电源需求的进一步增长,为锂离子电池工业的发展创造了良好的机遇,锂离子电池行业的快速发展带动了钴酸锂、镍钴酸锂、镍钴锰酸锂等钴系正极材料的发展,对锂离子电池钴系正极材料的需求也大幅增长,尤其是钴酸锂,它在可逆性、放电容量以及电压的稳定性等方面都有着令人满意的性能,尽管钴酸锂中有与稀缺金属Co占60%左右,成本相对较高,但正是由于其上述优点,在当今电子设备朝小型化、轻量化发展的趋势下,成为了目前制造锂离子可充电电池的关键的正极材料,而作为锂电池正极材料前驱体的四氧化三钴,已经越来越受到人们的关注。
现市场上的四氧化三钴D50普遍在5-8um,粒径过小,颗粒球形度及致密度较差,制备的钴酸锂电池主要存在容量循环衰减快、充电截止电压低,电池能量密度未得到提升,已不能满足人们日益追求的高能量密度3C锂电池要求,而且现有技术合成反应过程中流量一般大于1200L/h,流量过大,晶核过多,从而导致晶核粒径过小。
发明内容
针对上述问题,本发明提供一种高球形度大颗粒四氧化三钴的制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种高球形度大颗粒四氧化三钴的制备方法,包括如下步骤,
(a):用去离子水将钴盐原料配成钴盐溶液;
(b):将沉淀剂溶解于去离子水中,配制成沉淀剂溶液;
(c):将钴盐溶液和沉淀剂溶液采用并流的方式注入反应釜内,并搅拌加热反应;
(d):反应一段时间后,将反应料浆进行分釜再继续反应;
(e):反应完全后,将产物洗涤、离心,得到大颗粒碳酸钴;
(f):将上述大颗粒碳酸钴采用两次烧结的方式烧结,得到高球形度大颗粒四氧化三钴。
步骤(a)中所述钴盐原料为氯化钴、硫酸钴、硝酸钴中的至少一种。
步骤(b)中所述沉淀剂为碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸钠、碳酸氢钠中的至少一种。
步骤(a)中钴盐溶液的钴盐含量为90-120g/L。
步骤(b)沉淀剂溶液中沉淀剂的含量为220-250g/L。
步骤(c)中所述钴盐溶液的注入速率为800-1200L/h,沉淀剂溶液的注入速率为900-1200L/h,第一次合成的碳酸钴粒径控制在6.0-8.0um。
步骤(c)中反应釜内的温度为45-55℃,搅拌转速为60-90r/min。
步骤(d)中,当反应釜内的结晶次数达到6-8次时,将反应釜内1/2的料浆转移至其他空釜继续反应;最终可得到粒径为18-24um的大颗粒碳酸钴。
步骤(f)中第一次烧结为低温预氧化烧结,烧结温度为250-450℃,时间为2-3小时;第二次烧结为高温煅烧,煅烧温度为600-750℃,煅烧时间为1-2小时。
本发明提供的高球形度大颗粒四氧化三钴的制备方法,采用溶液直接沉淀法,对传统的沉淀——热分解的工艺路线进行改进,提供一种钴盐为原料,通过包括并流加料法、分釜工艺进行间歇式结晶、洗涤离心、两次烧结方式制成粒径大、振实密度高、稳定性强、充电截止电压高的高球形度大颗粒四氧化三钴。
四氧化三钴产品的粒度分布、密度、微观形貌与其前驱体的粒度晶粒度和结晶度有很大影响。本发明在合成反应第一次结晶时将钴盐溶液流量控制到800-1200L/h,沉淀剂溶液的注入速率控制到900-1120L/h,有利于晶核的产生和长大,让第一次结晶的粒径偏大,解决了现有技术中流量过大时由于晶核过多导致的晶核生产过慢的问题。本发明合成过程中采用间歇式结晶工艺,使碳酸钴的粒径逐渐长大,当长速呈逐步放缓的趋势时,即当结晶次数达到6-8次时,采用分釜工艺,对反应釜内的料浆转移1/2至其他空釜,减少晶核数量,提高后续结晶碳酸钴颗粒的长速,后期形成的晶核有序的在原有颗粒表面生长,最终形成球形度较高的碳酸钴颗粒,此方法能使碳酸钴的达到18-24um的大粒径,解决了现有技术方法中所生产的碳酸钴粒径过小的问题。再者,本发明采用两次烧结工艺,先低温预氧化,再高温煅烧,有效保证了四氧化三钴产品的品质稳定性及产品的形貌,且其利用回转窑烧结,避免了后续物料的粉碎、分级处理。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1、工艺简单、成本低、易操作、节能环保,合成出来的四氧化三钴颗粒大小均匀,后段制备的钴酸锂粉体材料细粉量少,有利于锂电池产品的产线收率;
2、采用该四氧化三钴制备的钴酸锂正极材料,充放电循环次数高、容量衰减低,提高了电池的使用寿命;
3、合成出来的四氧化三钴颗粒颗粒球形度高,流动性好,更能保证在与碳酸锂混料过程中的均匀性,降低钴酸锂烧结后的残锂量;
4、采用该四氧化三钴制备的钴酸锂正极材料,充电截止电压可由4.2V(市场上普遍使用)提升至4.4V,材料压实密度也得到了显著提升,有利于提高电池的能力密度,更适合市场上对3C电池小、轻、薄化的要求。
附图说明
图1是实施例一四氧化三钴SEM图;
图2是图1的两倍放大图;
图3是图1的六倍放大图;
图4是实施例二四氧化三钴SEM图;
图5是图4的两倍放大图;
图6是图4的六倍放大图;
图7是实施例三四氧化三钴SEM图;
图8是图7的两倍放大图;
图9是图7的六倍放大图。
具体实施方式
下面将结合图1-9详细说明本发明,在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明,但并不作为对本发明的限定。
一种高球形度大颗粒四氧化三钴的制备方法,以氯化钴、硫酸钴、硝酸钴中的至少一种作为钴盐原料,经净化配制后得到钴盐溶液,以碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸钠、碳酸氢钠中的至少一种作为沉淀剂,以溶液直接沉淀法制备前驱体,采用并流加料法的加料方式加入反应容器内,通过控制溶液注入速度大小、反应温度、搅拌速度等参数,并采用间歇式结晶工艺和分釜工艺,有效控制前驱体化学杂质和晶体结晶度、粒度、密度等,合成得到沉淀物前驱体,经洗涤、离心,再进行两次烧结,低温预氧化后进行高温煅烧,最终得到高球形度大颗粒四氧化三钴。
下面以三个实施例对本发明进行详细说明。
实施例一:用去离子水将钴盐原料配成钴盐含量为90g/L的钴盐溶液;将沉淀剂溶解于去离子水中,配制成220g/L的沉淀剂溶液;将钴盐溶液和沉淀剂溶液采用并流的方式注入反应釜内,并搅拌加热反应,所述钴盐溶液的注入速率为800L/h,沉淀剂溶液的注入速率为900L/h,反应釜内的温度控制为55℃,转速为60r/min,第一次合成的碳酸钴粒径控制在8.0um左右;碳酸钴合成过程中采用分釜工艺,反应一段时间后,当结晶次数达到6次时,将反应釜内的料浆转移1/2至其他空釜继续反应,反应完全后,将产物洗涤、离心,最终得到粒径为24um的大颗粒碳酸钴;然后再将上述大颗粒碳酸钴采用两次烧结的方式烧结,第一次烧结为低温预氧化烧结,控制温度在250℃进行预氧化,时间为2-3小时,再进行第二次烧结,第二次烧结方式为高温煅烧,控制温度为600℃,煅烧时间为2小时,从而得到高球形度大颗粒四氧化三钴。
所述实施例一所得产品D10:13.940um;D50:18.792um;D90:25.297um;TD:2.44g/cm3;其SEM图为图1-3所示。
实施例二:用去离子水将钴盐原料配成钴含量为120g/L的钴盐溶液;将沉淀剂溶解于去离子水中,过滤配制成250g/L的沉淀剂溶液;将钴盐溶液和沉淀剂溶液采用并流的方式注入反应釜内,并搅拌加热反应,所述钴盐溶液的注入速率为1200L/h,沉淀剂溶液的注入速率为1200L/h,反应釜内的温度控制为45℃,转速为90r/min,第一次合成的碳酸钴粒径控制在6.0um左右;碳酸钴合成过程中采用分釜工艺,反应一段时间后,当结晶次数达到8次时,将反应釜内的料浆转移1/2至其他空釜继续反应,反应完全后,产物洗涤、离心,最终得到粒径为18um的大颗粒碳酸钴;然后再将上述大颗粒碳酸钴采用两次烧结的方式烧结,第一次烧结为低温预氧化烧结,控制温度在450℃进行预氧化,时间为3小时,再进行第二次烧结,第二次烧结方式为高温煅烧,控制温度在750℃,煅烧时间为3小时,从而得到高球形度大颗粒四氧化三钴。
所述实施例二所得产品D10:10.992um;D50:15.096um;D90:20.709um;TD:2.63g/cm3,其SEM图为图4-6所示。
实施例三:用去离子水将钴盐原料配成钴含量为110g/L的钴盐溶液;将沉淀剂溶解于去离子水中,过滤配制成240g/L的沉淀剂溶液;将钴盐溶液和沉淀剂溶液采用并流的方式注入反应釜进行合成反应,所述钴盐溶液的注入速率为1200L/h,沉淀剂溶液的注入速率为1120L/h,反应釜内的温度为52℃,转速为80r/min,第一次合成的碳酸钴粒径控制在7.0um左右;碳酸钴合成过程中采用分釜工艺,反应一段时间后,当结晶次数达到7次时,将反应釜内的料浆转移1/2至其他空釜,反应完全后,将产物洗涤、离心,最终得到粒径为21um左右的大颗粒碳酸钴;然后再将上述大颗粒碳酸钴采用两次烧结的方式烧结,第一次烧结为低温预氧化烧结,控制温度在350℃进行预氧化,时间为2.5小时,再进行第二次烧结,第二次烧结方式为高温煅烧,控制温度在680℃,煅烧时间为2.0小时,从而得到高球形度大颗粒四氧化三钴。
所述实施例三所得产品D10:12.521um;D50:17.162um;D90:23.481um;TD:2.53g/cm3,其SEM图为图7-9所示。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明实施例,在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种高球形度大颗粒四氧化三钴的制备方法,其特征在于:包括如下步骤,
(a):用去离子水将钴盐原料配成钴盐溶液;
(b):将沉淀剂溶解于去离子水中,配制成沉淀剂溶液;
(c):将钴盐溶液和沉淀剂溶液采用并流的方式注入反应釜内,并搅拌加热反应;
(d):反应一段时间后,将反应料浆进行分釜再继续反应;
(e):反应完全后,将产物洗涤、离心,得到大颗粒碳酸钴;
(f):将上述大颗粒碳酸钴采用两次烧结的方式烧结,得到高球形度大颗粒四氧化三钴。
2.根据权利要求1所述高球形度大颗粒四氧化三钴的制备方法,其特征在于:步骤(a)中所述钴盐原料为氯化钴、硫酸钴、硝酸钴中的至少一种。
3.根据权利要求2所述高球形度大颗粒四氧化三钴的制备方法,其特征在于:步骤(b)中所述沉淀剂为碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸钠、碳酸氢钠中的至少一种。
4.根据权利要求3所述高球形度大颗粒四氧化三钴的制备方法,其特征在于:步骤(a)中钴盐溶液的钴盐含量为90-120g/L。
5.根据权利要求4所述高球形度大颗粒四氧化三钴的制备方法,其特征在于:步骤(b)沉淀剂溶液中沉淀剂的含量为220-250g/L。
6.根据权利要求5所述高球形度大颗粒四氧化三钴的制备方法,其特征在于:步骤(c)中所述钴盐溶液的注入速率为800-1200L/h,沉淀剂溶液的注入速率为900-1200L/h。
7.根据权利要求6所述高球形度大颗粒四氧化三钴的制备方法,其特征在于:步骤(c)中反应釜内的温度为45-55℃,搅拌转速为60-90r/min。
8.根据权利要求7所述高球形度大颗粒四氧化三钴的制备方法,其特征在于:步骤(d)中,当反应釜内的结晶次数达到6-8次时,将反应釜内1/2的料浆转移至其他空釜继续反应。
9.根据权利要求8所述高球形度大颗粒四氧化三钴的制备方法,其特征在于:步骤(f)中第一次烧结为低温预氧化烧结,烧结温度为250-450℃,时间为2-3小时;第二次烧结为高温煅烧,煅烧温度为600-750℃,煅烧时间为1-2小时。
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