CN205308324U - 制备锂离子二次电池正极材料前驱体的反应系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种制备锂离子二次电池正极材料前驱体的反应系统，其包括反应釜体、供料子系统、搅拌子系统、控温子系统、pH值检测控制子系统和控制器；反应釜体提供反应场所；供料子系统的输料口伸入反应釜体的内部；搅拌子系统的搅拌桨经反应釜体的顶端开口竖直伸入反应釜体的内部；控温子系统的温度调节装置与反应釜体连接；pH值检测控制子系统的输液口伸入反应釜体内部；控制器与供料子系统、搅拌子系统、控温子系统和pH值检测控制系统连接，用于控制物料子系统、搅拌子系统、控温子系统和pH值检测控制子系统执行动作。本实用新型实现了反应系统控制自动化，精确控制反应体系各参数，避免人为因素导致的调节范围大，精确度差的现象发生。

Description

制备锂离子二次电池正极材料前驱体的反应系统

技术领域

本实用新型属于锂离子二次电池正极材料制备领域，特别涉及一种制备锂离子二次电池正极材料前驱体的反应系统。

背景技术

锂离子二次电池(以下简称：锂离子电池)是20世纪90年代开发成功的新型高能电池。与传统的铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池相比，它具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应等优点，目前已经广泛应用于手机、笔记本电脑、照相机、摄像机等便携式电子产品。近年来，随着新能源汽车及电网储能的快速发展，对动力锂离子电池提出了更高的要求。

正极材料作为锂离子电池的最重要组成部分，其性能在很大程度上决定了电池的性能，从而直接决定了锂离子电池成本的高低，因此，研究和开发高性能的正极材料，成为锂离子电池发展的最为关键的一环。目前常用的、研发较为成熟的正极材料主要为锂过渡金属复合氧化物，包括氧化钴锂(LiCoO₂)、氧化镍锂(LiNiO₂)、氧化锰锂(Li_xMn₂O₄)、磷酸亚铁锂(LiFePO₄)等，国内外对此开展了大量基础研究并基本实现产业化。

与上述传统的正极材料相比，层状锂镍钴锰氧正极材料(简称三元正极材料，LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂:其1/3<x<0.9，0<y<1/3)较好地兼备了钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂的优点，三元协同效应使其综合性能优于任一单组份化合物。其具有高比容量、循环性能稳定、成本相对较低、安全性能较好等特点，已被证明是动力电动车(EV)的理想选择，也被认为是最好的、能取代LiCoO₂的正极材料。因此，该系列材料，被公认为现今最有发展前景的新型锂离子电池正极材料之一。

目前国际主流的三元材料的制备普遍采用Ni、Mn、Co三元氢氧化物前驱体配锂盐或氢氧化锂煅烧而成，而前驱体的球形球貌，振实密度，粒径大小，比表面积，元素的化合价态稳定，对于三元材料性能有着极其重要的影响。

合成三元材料前驱体的方法主要有化学共沉淀法、溶胶凝胶法、乳液法、燃烧法和固相法等，其中共沉淀法由于其工艺简单、适用性强、对设备、技术要求不高，产物纯度高等优点，是合成均相近球型三元正极材料较为理想的方法，但由于过渡金属离子的性能差异，导致在共沉淀反应中容易造成前驱体组份分布不均匀，批次稳定性差，一次颗粒尺寸大、二次颗粒粒度分布宽和颗粒团聚等缺陷。因此，寻求、发展一种能精确控制反应体系参数的设备已成为能否成功制备高性能三元正极材料的关键。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种制备锂离子二次电池正极材料前驱体的反应系统，其包括：反应釜体、供料子系统、搅拌子系统、控温子系统、pH值检测控制子系统和控制器；所述反应釜体用于提供反应场所；所述供料子系统的输料口伸入所述反应釜体的内部以向所述反应釜体内提供用于制备锂离子二次电池正极材料前驱体的物料；所述搅拌子系统的搅拌桨经所述反应釜体的顶端开口竖直伸入所述反应釜体的内部以提供搅拌动力；所述控温子系统的温度调节装置与所述反应釜体连接以调节所述反应釜体内的温度在反应体系的预设温度值范围内，其中所述反应体系为制备锂离子二次电池正极材料前驱体的反应体系；所述pH值检测控制子系统的输液口伸入所述反应釜体内部以调节所述反应釜体内的pH值至所述反应体系的预设pH值范围内；所述控制器与所述供料子系统、所述搅拌子系统、所述控温子系统和所述pH值检测控制子系统连接，用于控制所述物料子系统、搅拌子系统、所述控温子系统和所示pH值检测控制子系统执行动作。

在如上所述的反应系统中，优选，所述供料子系统包括：储液槽，所述储液槽内储存有所述物料；以及物料恒流泵，所述物料恒流泵的进液口经管道与所述储液槽连通，所述物料恒流泵的排液口作为所述供料子系统的输料口，所述物料恒流泵的控制端与所述控制器连接。

在如上所述的反应系统中，优选，所述供料子系统的数量为两套；一套所述供料子系统向所述反应釜体内提供金属盐，另一套所述供料子系统向所述反应釜体内提供氨水。

在如上所述的反应系统中，优选，所述搅拌子系统为直联上机械搅拌系统。

在如上所述的反应系统中，优选，所述搅拌子系统包括：变频器，所述变频器的控制端与所述控制器连接；驱动电机，所述驱动电机的输入端与所述变频器的输出端连接；以及搅拌桨，所述搅拌桨具有搅拌主轴和浆叶，所述搅拌主轴的一端与所述驱动电机的输出轴连接，所述搅拌主轴的另一端安装有所述浆叶。

在如上所述的反应系统中，优选，所述反应釜体的材质为不锈钢或玻璃。

在如上所述的反应系统中，优选，所述控温子系统包括：温度传感器，设置在所述反应釜体内，与所述控制器连接；反应釜体夹套，套设于所述反应釜体的侧壁外侧；以及高低温循环器，所述高低温循环器的输出端与所述反应釜体夹套连接，所述高低温循环器的控制端与所述控制器连接；其中，所述反应釜体夹套为温度调节装置。

在如上所述的反应系统中，优选，所述pH值检测控制子系统包括：pH计，设置在所述反应釜体内，与所述控制器连接；碱液槽，所述碱液槽内储存有碱液；以及pH恒流泵，所述pH恒流泵的进液口经管道与所述碱液槽连通，所述pH恒流泵的排液口作为所述pH值检测控制子系统的输液口，所述pH恒流泵的控制端与所述控制器连接。

在如上所述的反应系统中，优选，所述反应系统还包括：收集子系统；所述收集子系统具有溢流管道和储液罐，所述溢流管道的一端与所述反应釜体的侧壁上端连通，所述溢流管道的另一端与所述储液罐连通。

在如上所述的反应系统中，优选，所述锂离子二次电池正极材料前驱体为共沉淀法制备的层状锂镍钴锰氧正极材料前驱体或富锂锰基正极材料前驱体。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

实现了反应系统控制自动化，精确控制反应体系各参数，避免人为因素导致的调节范围大，精确度差的现象发生。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种制备锂离子二次电池正极材料前驱体的反应系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种制备锂离子二次电池正极材料前驱体的反应系统的逻辑控制示意图；

其中，图中符号说明如下：

1-驱动电机、2-溢流管道、3-反应釜体、4-储液罐、5-pH传感器、61-搅拌轴、62-浆叶、7-温度传感器、8-高低温循环器、9-碱液槽、10-pH恒流泵、11-储液槽、12-物料恒流泵、13-控制器、14-反应釜夹套、15-触摸屏、16-下位机、17-网络上位机。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的实施方式作进一步地详细描述。

参见图1～2，本实用新型实施例提供了一种制备锂离子二次电池正极材料前驱体的反应系统，其可以制备层状锂镍钴锰氧正极材料前驱体，还可以制备富锂锰基正极材料前驱体，本实施例不对此进行限定。反应系统包括：反应釜体3、供料子系统、搅拌子系统、控温子系统、pH值检测控制子系统和控制器13。

其中，反应釜体3为反应容器，其形成有空腔，即中空结构，用于给锂离子二次电池正极材料前驱体的制备提供反应场所，优选由玻璃或不锈钢制成，在反应釜体3的顶端设置开口(即顶端开口)。反应釜体3的径高比优选为1:2～1：2.5。供料子系统与反应釜体3连接，用于向反应釜体3内输送物料，该物料用于制备锂离子二次电池正极材料前驱体。具体地，供料子系统的输料口经顶端开口伸入反应釜体3的内部以向反应釜体3提供物料。搅拌子系统与反应釜体3连接，用于提供搅拌动力以使反应釜体3内的物料在搅拌动力的驱动下旋转。具体地，搅拌子系统的搅拌桨经反应釜体3的顶端开口伸入反应釜体3的内部以向反应釜体3内的物料提供搅拌动力。控温子系统与反应釜体3连接，用于检测反应釜体3内的温度，并调节反应釜体3内的温度在反应体系的预设温度范围内，反应体系为制备锂离子二次电池正极材料前驱体的反应体系。具体地，控温子系统的温度调节装置与反应釜体3连接以调节反应釜体3内的温度在反应体系的预设温度值范围内。pH值检测控制子系统与反应釜体3连接，用于检测反应釜体3内的pH值，并调节反应釜体3内的pH值在反应体系的预设pH值范围内。具体地，pH值检测控制子系统的输液口伸入反应釜体3的内部空腔以调节反应釜体3内的pH值至反应体系的预设pH值范围内。控制器13与供料子系统、搅拌子系统、控温子系统和pH值检测控制系统连接，用于控制供料子系统执行供料动作，搅拌子系统执行搅拌动作，控制控温子系统执行调节温度动作，控制pH值检测控制子系统执行调节pH值动作。控制器13可以包括下位机16和触摸屏15。触摸屏直接发出控制命令，下位机直接控制供料子系统、搅拌子系统、控温子系统和pH值检测控制子系统，其可以为PLC(ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器)，还可以为单片机，本实施例不对其进行限定。应用时，触摸屏发出的控制命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应子系统。下位机和触摸屏可以通过ModbusRTU连接，还可以通过RS232连接。为了实现远程操作，控制器还可以包括：与触摸屏通过网络连接的网络上位机17。

本反应系统通过采用控制器13控制物料的提供、搅拌速度的调节、温度的调节和pH值的调节，实现了反应系统控制的自动化，进而能精确控制反应体系各参数，避免了因人为因素导致的调节范围大，精确度差的现象发生，从而解决了现有技术中存在的在共沉淀反应中容易造成的前驱体组份分布不均匀，批次稳定性差，一次颗粒尺寸大、二次颗粒粒度分布宽和颗粒团聚等缺陷的问题。同时该反应系统还利于操作，特别适合于大规模连续化生产。

具体而言，供料子系统包括：储液槽11和物料恒流泵12。储液槽11内储存有物料。物料恒流泵12的进液口经管道与储液槽11连通，物料恒流泵12的排液口作为供料子系统的输料口伸入反应釜体3的内部，物料恒流泵12的控制端与控制器连接，以使控制器控制物料恒流泵12的转速，从而控制供料速度和供料量。即供料子系统在控制器的控制下实现自动化控制提供物料的流量(即注料流量)，大大减少了人为因素导致的注料流量的波动，提高了注料的精确性。优选供料子系统的数量两套，即有两个储液槽和两个物料恒流泵，每个储液槽配置一个物料恒流泵，一个储液槽用来储存金属盐，该金属盐在反应中起到酸的作用，另一个储液槽用来储存氨水，该氨水起到控制反应速度的作用。

为了解决因传质不均匀造成的粒径分布宽的问题，搅拌子系统为直联上机械搅拌系统，即驱动电机1直接与搅拌桨的搅拌轴相连，且驱动电机1安装在反应釜体的上部。具体而言，搅拌子系统包括：变频器、驱动电机1和搅拌桨。变频器的控制端与控制器13连接以使控制器13控制变频器输出的电源频率。实际中，变频器接收控制器13发出的变频指令后对输入变频器的固定频率的电流进行变频，固定频率为50Hz。驱动电机1设置于反应釜体3的顶部，其输入端与变频器的输出端连接。搅拌桨具有搅拌轴61和浆叶62，搅拌轴61的一端与驱动电机1的输出轴连接，搅拌轴61的另一端安装有浆叶62。桨叶62优选为斜向上式桨叶以增加搅拌强度。搅拌轴61外包覆有聚四氟乙烯，桨叶62的材质为聚四氟乙烯以降低物料对搅拌轴61和桨叶62的腐蚀度。

为了使反应体系处于稳定的温度环境内，控温子系统包括：温度传感器7、反应釜夹套14和高低温循环器8。温度传感器7用于实时测量反应釜内3的温度，其设置于反应釜体3内，与控制器13连接。反应釜夹套31为温度调节装置，其套设于反应釜体3的侧壁外侧，用于对反应釜体3进行加热或冷却以调节反应釜体3内的温度；高低温循环器8的冷媒热媒工质经其输出口与反应釜夹套14的工质侧入口连接，反应釜夹套14的工质侧出口与高低温循环器8的输入口连接。对反应釜体3进行加热以提高反应釜体3内温度时，冷媒热媒工质携带热量，其温度高于反应釜体3内温度；对反应釜体3进行冷却以降低反应釜体3内温度时，冷媒热媒工质携带冷量，其温度低于反应釜体3内温度。高低温循环器8的控制端与控制器13连接以使控制器13控制高低温循环器8输出的冷媒热媒工质的温度。实际中，高低温循环器8接收控制器13发出的温度指令后对高低温循环器8输出的冷媒热媒工质进行温度调节。

为了使反应体系处于稳定的酸碱环境内，pH值检测控制子系统包括：pH计、碱液槽和pH恒流泵。pH计用于实时检测反应釜体3内的pH值，其包括pH传感器5和pH变送器，pH传感器5设置在反应釜体3内，与pH变送器连接，pH变送器与控制器13连接。碱液槽9内储存有碱液，碱液可以为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液，本实施例不对此进行限定。pH恒流泵10的进液口经管道与碱液槽9连通，pH恒流泵10的排液口作为pH值检测控制子系统的输液口伸入反应釜体3的内部，pH恒流泵10的控制端与控制器13连接以使控制器13控制pH恒流泵10的转速，从而控制碱液注入反应釜体3内的速度和数量。

反应系统还包括：收集子系统，其具有溢流管道2和储液罐4，溢流管道2的一端与反应釜体3的侧壁上端连通，溢流管道2的另一端与储液罐4连通，如此可以在意外情况下，防止反应釜体3内的液体溢出污染反应釜体3周围环境。

综上所述，本实用新型实施例的有益效果如下：

实现了反应系统控制自动化，精确控制反应体系各参数，避免人为因素导致的调节范围大，精确度差的现象发生。

由技术常识可知，本实用新型可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本实用新型范围内或在等同于本实用新型的范围内的改变均被本实用新型包含。

Claims (10)

1.一种制备锂离子二次电池正极材料前驱体的反应系统，其特征在于，所述反应系统包括：反应釜体、供料子系统、搅拌子系统、控温子系统、pH值检测控制子系统和控制器；

所述反应釜体用于提供反应场所；

所述供料子系统的输料口伸入所述反应釜体的内部以向所述反应釜体内提供用于制备锂离子二次电池正极材料前驱体的物料；

所述搅拌子系统的搅拌桨经所述反应釜体的顶端开口竖直伸入所述反应釜体的内部以提供搅拌动力；

所述控温子系统的温度调节装置与所述反应釜体连接以调节所述反应釜体内的温度在反应体系的预设温度值范围内，其中所述反应体系为制备锂离子二次电池正极材料前驱体的反应体系；

所述pH值检测控制子系统的输液口伸入所述反应釜体内部以调节所述反应釜体内的pH值至所述反应体系的预设pH值范围内；

所述控制器与所述供料子系统、所述搅拌子系统、所述控温子系统和所述pH值检测控制子系统连接，用于控制所述物料子系统、搅拌子系统、所述控温子系统和所示pH值检测控制子系统执行动作。

2.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，所述供料子系统包括：储液槽，所述储液槽内储存有所述物料；以及

物料恒流泵，所述物料恒流泵的进液口经管道与所述储液槽连通，所述物料恒流泵的排液口作为所述供料子系统的输料口，所述物料恒流泵的控制端与所述控制器连接。

3.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，所述供料子系统的数量为两套；

一套所述供料子系统向所述反应釜体内提供金属盐，另一套所述供料子系统向所述反应釜体内提供氨水。

4.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，所述搅拌子系统为直联上机械搅拌系统。

5.根据权利要求4所述的反应系统，其特征在于，所述搅拌子系统包括：

变频器，所述变频器的控制端与所述控制器连接；

驱动电机，所述驱动电机的输入端与所述变频器的输出端连接；以及

搅拌桨，所述搅拌桨具有搅拌主轴和浆叶，所述搅拌主轴的一端与所述驱动电机的输出轴连接，所述搅拌主轴的另一端安装有所述浆叶。

6.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，所述反应釜体的材质为不锈钢或玻璃。

7.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，所述控温子系统包括：

温度传感器，设置在所述反应釜体内，与所述控制器连接；

反应釜体夹套，套设于所述反应釜体的侧壁外侧；以及

高低温循环器，所述高低温循环器的输出端与所述反应釜体夹套连接，所述高低温循环器的控制端与所述控制器连接；

其中，所述反应釜体夹套为温度调节装置。

8.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，所述pH值检测控制子系统包括：

pH计，设置在所述反应釜体内，与所述控制器连接；

碱液槽，所述碱液槽内储存有碱液；以及

pH恒流泵，所述pH恒流泵的进液口经管道与所述碱液槽连通，所述pH恒流泵的排液口作为所述pH值检测控制子系统的输液口，所述pH恒流泵的控制端与所述控制器连接。

9.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，所述反应系统还包括：收集子系统；

所述收集子系统具有溢流管道和储液罐，所述溢流管道的一端与所述反应釜体的侧壁上端连通，所述溢流管道的另一端与所述储液罐连通。

10.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，所述锂离子二次电池正极材料前驱体为共沉淀法制备的层状锂镍钴锰氧正极材料前驱体或富锂锰基正极材料前驱体。