CN110255629A - 一种超细粒径四氧化三钴的制备方法 - Google Patents

一种超细粒径四氧化三钴的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超细粒径四氧化三钴的制备方法,该方法为:1、向钴盐中加入络合剂并稀释配制成钴盐溶液;2、将工业液碱加水稀释配制成碱液;3、将配制好的钴盐溶液和碱液并投到底液淹没二层搅拌的反应釜内,整个过程控制pH9.9‑10.3,温度65‑72℃,空气流量15‑18m3/h;4、溢流后将溢流出来的料经浓缩返回到釜内,并监测粒度增长速度,使反应时间在60h以上粒度达到1.5‑2.5μm;5、合成好的羟基钴经过滤洗涤,放入回转窑进行热分解,最终得到颗粒致密、分散性好的类球形的超细四氧化三钴,通过本发明的方法得到的四氧化三钴的粒度1.5‑2.5μm,振实密度2.1~2.6g/cm3

Description

一种超细粒径四氧化三钴的制备方法
技术领域
本发明涉及四氧化三钴的制备技术领域,尤其是一种超细粒径四氧化三钴的制备方法。
背景技术
四氧化三钴是钴酸锂(LCO)正极材料的前驱体,终端应用领域为大容量手机、笔记本电脑、数码相机等3C类电子产品的电池。随着3C电子产品快速发展,对正极材料钴酸锂的能量密度要求越来越高,通常采用两种方式提高钴酸锂能量密度,第一掺杂其他元素如:Mg、Al、Zr、Ti、Ni、Mn等提高充电截止电压来提高锂离子电池能量密度,第二大小颗粒掺混提高压实密度来提高能量密度。其中大小颗粒的粒径朝着两端发展,大颗粒粒径发展大16-18μm甚至是20μm以上;而小颗粒目前主流粒径为4-6μm,未来市场对小颗粒粒径要求会越来越小。
小粒径四氧化三钴的制备方法可大致分为干法和湿法两类,其中干法目前最常见的技术手段为喷雾焙烧法,该方法直接将钴盐通过物理方法形成雾状并经高温焙烧制备成四氧化三钴,其粒径最小可达2μm左右。湿法合成技术路线可分为碳酸钴和羟基钴。碳酸钴路线采用钴盐和碳酸铵或者碳酸氢铵溶液通过湿法沉淀反应,控制反应过程的温度、转速及pH等参数合成出目标粒径的碳酸钴,经洗涤除杂、高温热分解最终得到四氧化三钴,该方法制备出粒度小于3μm的四氧化三钴致密度偏低。羟基钴路线将钴盐和氢氧化钠或氢氧化钾在氧化介质条件下通过湿法沉淀反应生成羟基钴,物料经洗涤除杂、高温热分解最终得到四氧化三钴。
专利CN 106629870 A提供了一种小粒径球形碳酸钴的制备方法,该方法采用碳酸盐体系,将钴盐溶液与碳铵溶液并投入反应容器中,控制pH及搅拌频率最终可制备出粒径在3-5μm球形碳酸钴,且颗粒易产生团聚。专利CN 106784800 A讲述了一种动力锂离子电池用高活性球形四氧化三钴及其制备方法,其以羟基钴工艺为基础,加上特殊设备“浓密机”对溢流出来的料进行浓缩处理,得到浓缩后的浆料返回到反应釜内,等到颗粒粒径达到目标值后放料采用离心机洗涤及煅烧,得到粒度2.7-2.85μm,振实密度2.3-2.5g/cm3,该方法由于采用浓密机增加了生产成本及工艺复杂程度,且该专利粒度未涉及到2μm以下小粒径四氧化三钴。
目前超细粒径四氧化三钴存在的突出问题:1、颗粒粒径难达到2μm以下;2、粒径小导致颗粒致密度下降;3、颗粒之间存在粘连。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术的不足而提供一种超细粒径四氧化三钴的制备方法,得到的四氧化三钴的颗粒致密、分散性好。
为了达到上述目的,本发明所设计的一种超细粒径四氧化三钴的制备方法,具体包括如下步骤:
①配制钴盐溶液:将一定量的络合剂加入到钴盐溶液中,其中络合剂与钴离子质量比为:0.002-0.01:1;
②配制碱溶液:将工业液碱加水稀释,配制成浓度为220-420g/L碱溶液;
③底液:向反应釜中加入一定量的去离子水打底,底液液位需淹没二层搅拌,开启搅拌,加入适量碱溶液调节底液pH至9.9-10.3,釜内温度升温至65-72℃,开始投料前先通入压缩空气30min以上;
④将配制好的钴盐溶液和碱溶液同时并投到反应釜内,投料过程监测pH在9.9-10.3,pH和粒度每小时测一次;当浆料液位到达溢流口处,将溢流出来的料经浓缩后返回釜内,监测粒度增长速度,如若过程每2小时粒度涨幅大于0.1μm,则将pH提高0.1-0.2来降低粒度生长速率,保障晶种有充分时间进行修复型生长,使反应时间在60h以上粒度达到1.5-2.5μm;
⑤合成好的羟基钴经过滤洗涤,放入回转窑进行热分解,最终得到颗粒致密、分散性好的类球形的超细四氧化三钴。
其中:所述的络合剂为:乙二胺四丙酸、磺基水杨酸、六次甲基四胺、柠檬酸、酒石酸中的一种或多种。
所述钴盐为氯化钴、硫酸钴、硝酸钴中一种或几种混合物,钴离子浓度为60-90g/L。
所述压缩空气流量为15-18m3/h。
钴盐溶液流量为240-400L/h。
所述回转窑热分解温度分为预热干燥段和高温分解段,预热干燥段温度在200-400℃,高温分解段温度在500-750℃。
制备的超细粒径四氧化三钴,粒度在1.5-2.5μm,形貌类球形,振实密度在2.1-2.6g/cm3,颗粒单个分散。
本发明所得到的一种超细粒径四氧化三钴的制备方法,具有以下优点:
第一、反应釜底液量需淹没二层搅拌,由于钴与碱新生产的晶核为纳米级颗粒,表面能高,容易团聚,充足的底液量可降低粒子间的作用力,减轻团聚,其次高强度搅拌可重新打开发生粘连的团聚体,提高晶核分散程度,解决颗粒的粘连问题;第二、湿法合成阶段调整pH来精准控制晶种粒度涨幅,确保反应时间在60h以上粒度达到1.5-2.5μm,使晶种按修复型方式生长提高羟基钴致密度;第三、溢流料经浓缩后返回釜内提高釜内固含量提升颗粒致密度。
附图说明
图1为本发明实施例2所得产品的扫描电镜图1;
图2为本发明实施例2所得产品的扫描电镜图2。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图对本发明作进一步的描述。
实施例1:
本实施例描述的一种超细粒径四氧化三钴的制备方法,具体包括如下步骤:
①配制60g/L的硫酸钴溶液,向每方钴液中加入0.12kg的乙二胺四丙酸,搅拌均匀即可;
②配制220g/L浓度的氢氧化钠溶液;
③向反应釜中加入适量去离子水淹没二层搅拌,开启搅拌,将温度升至65℃,空气流量15m3/h,并加入适量的氢氧化钠调整底液pH为9.9;
④将配制好的钴液和碱液并投入反应釜内,钴流量为240L/h,温度65℃,空气流量15m3/h,控制过程pH在9.9。粒度和pH每小时测一次,当浆料液位到达溢流口处,将溢流出来的料经浓缩后返回到釜内;
⑤羟基钴粒度达到1.65μm时停止投料;
⑥过滤洗涤后羟基钴进入回转窑煅烧,温区为:200、300、500、700、700,经过除铁、过筛后得到超细粒径、单个分散、致密型四氧化三钴;
所述四氧化三钴检测指标,Co含量72.95%,中值粒径D50:1.55μm,振实密度2.16g/cm3,分散性好,形貌类球形。
实施例2:
本实施例描述的一种超细粒径四氧化三钴的制备方法,具体包括如下步骤:
①配制70g/L的氯化钴溶液,并向每方钴液中加入0.42kg的磺基水杨酸,搅拌均匀即可;
②配制280g/L浓度的氢氧化钠溶液;
③向反应釜中加入适量去离子水淹没二层搅拌,开启搅拌,将温度升至67℃,空气流量16m3/h,并加入适量的氢氧化钠调整底液pH为10.0;
④将配制好的钴液和碱液并投入反应釜内,钴流量为300L/h,温度67℃,空气流量16m3/h,控制过程pH在10.0。粒度和pH每小时测一次,当浆料液位到达溢流口处,将溢流出来的料经浓缩后返回到釜内;
⑤羟基钴粒度达到1.98μm时停止投料;
⑥过滤洗涤后羟基钴进入回转窑煅烧,温区为:200、350、500、720、720,经过除铁、过筛后得到超细粒径、单个分散、致密型四氧化三钴;
所述四氧化三钴检测指标,Co含量72.91%,中值粒径D50:1.92μm,振实密度2.31g/cm3,电镜形貌见图1所示,分散性好,形貌类球形。
实施例3:
本实施例描述的一种超细粒径四氧化三钴的制备方法,具体包括如下步骤:
①配制80g/L的硝酸钴溶液,并向每方钴液中加入0.32kg柠檬酸和0.32kg酒石酸,搅拌均匀即可;
②配制340g/L浓度的氢氧化钠溶液;
③向反应釜中加入适量去离子水淹没二层搅拌,开启搅拌,将温度升至70℃,空气流量17m3/h,并加入适量的氢氧化钠调整底液pH为10.1;
④将配制好的钴液和碱液并投入反应釜内,钴流量为360L/h,温度70℃,空气流量17m3/h,控制过程pH在10.1。粒度和pH每小时测一次,当浆料液位到达溢流口处,将溢流出来的料经浓缩后返回到釜内;
⑤羟基钴粒度达到2.26μm时停止投料;
⑥过滤洗涤后羟基钴进入回转窑煅烧,温区为:300、400、550、750、750,经过除铁、过筛后得到超细粒径、单个分散、致密型四氧化三钴;
所述四氧化三钴检测指标,Co含量73.06%,中值粒径D50:2.20μm,振实密度2.45g/cm3,分散性好,形貌类球形。
实施例4:
本实施例描述的一种超细粒径四氧化三钴的制备方法,具体包括如下步骤:
①配制90g/L的硝酸钴溶液,并向每方钴液中加入0.45kg六次甲基四胺和0.45kg酒石酸,搅拌均匀即可;
②配制420g/L浓度的氢氧化钠溶液;
③向反应釜中加入适量去离子水淹没二层搅拌,开启搅拌,将温度升至72℃,空气流量18m3/h,并加入适量的氢氧化钠调整底液pH为10.3;
④将配制好的钴液和碱液并投入反应釜内,钴流量为600L/h,温度72℃,空气流量18m3/h,控制过程pH在10.3。粒度和pH每小时测一次,当浆料液位到达溢流口处,将溢流出来的料经浓缩后返回到釜内;
⑤羟基钴粒度达到2.47μm时停止投料;
⑥过滤洗涤后羟基钴进入回转窑煅烧,温区为:300、400、600、750、750,经过除铁、过筛后得到超细粒径、单个分散、致密型四氧化三钴;
所述四氧化三钴检测指标,Co含量72.95%,中值粒径D50:2.41μm,振实密度2.59g/cm3,分散性好,形貌类球形。

Claims (7)

1.一种超细粒径四氧化三钴的制备方法,其特征是:具体包括如下步骤:
①配制钴盐溶液:将一定量的络合剂加入到钴盐溶液中,其中络合剂与钴离子质量比为:0.002-0.01:1;
②配制碱溶液:将工业液碱加水稀释,配制成浓度为220-420g/L碱溶液;
③底液:向反应釜中加入一定量的去离子水打底,底液液位需淹没二层搅拌,开启搅拌,加入适量碱溶液调节底液pH至9.9-10.3,釜内温度升温至65-72℃,开始投料前先通入压缩空气30min以上;
④将配制好的钴盐溶液和碱溶液同时并投到反应釜内,投料过程监测pH在9.9-10.3,pH和粒度每小时测一次;当浆料液位到达溢流口处,将溢流出来的料经浓缩后返回釜内,监测粒度增长速度,如若过程每2小时粒度涨幅大于0.1μm,则将pH提高0.1-0.2来降低粒度生长速率,保障晶种有充分时间进行修复型生长,使反应时间在60h以上粒度达到1.5-2.5μm;
⑤合成好的羟基钴经过滤洗涤,放入回转窑进行热分解,最终得到颗粒致密、分散性好的类球形的超细四氧化三钴。
2.根据权利要求1所述的一种超细粒径四氧化三钴的制备方法,其特征是:所述的络合剂为:乙二胺四丙酸、磺基水杨酸、六次甲基四胺、柠檬酸、酒石酸中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种超细粒径四氧化三钴的制备方法,其特征是:所述钴盐为氯化钴、硫酸钴、硝酸钴中一种或几种混合物,钴离子浓度为60-90g/L。
4.根据权利要求1所述的一种超细粒径四氧化三钴的制备方法,其特征是:所述压缩空气流量为15-18m3/h。
5.根据权利要求1所述的一种超细粒径四氧化三钴的制备方法,其特征是:钴盐溶液流量为240-400L/h。
6.根据权利要求1所述的一种超细粒径四氧化三钴的制备方法,其特征是:所述回转窑热分解温度分为预热干燥段和高温分解段,预热干燥段温度在200-400℃,高温分解段温度在500-750℃。
7.根据权利要求1所述的一种超细粒径四氧化三钴的制备方法,其特征是:制备的超细粒径四氧化三钴,粒度在1.5-2.5μm,形貌类球形,振实密度在2.1-2.6g/cm3,颗粒单个分散。
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