CN208889768U

CN208889768U - 制备窄粒径分布的镍钴锰三元材料前驱体材料的装置

Info

Publication number: CN208889768U
Application number: CN201821280884.0U
Authority: CN
Inventors: 刘苏宁; 李勇; 孙宁磊; 曹敏; 彭建华
Original assignee: China ENFI Engineering Corp
Current assignee: China ENFI Engineering Corp
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2019-05-21
Anticipated expiration: 2028-08-09

Abstract

本实用新型公开了一种制备窄粒径分布的镍钴锰三元材料前驱体材料的装置。该装置包括：溶液储存单元，用于向晶种制备釜和合成釜中输入溶液；用于晶种制备的晶种制备釜，设置有晶种出口；合成釜，设置有晶种加入口，晶种加入口与晶种制备釜的晶种出口相连通，合成釜用于镍钴锰三元材料前驱体材料的合成；固固分级装置，设置在合成釜的下游，具有大粒径颗粒出口和小粒径颗粒出口，小粒径颗粒出口与晶种制备釜的进料口相连通；陈化釜，设置有陈化釜进料口，与固固分级装置的大粒径颗粒出口相连通；以及后处理装置，用于过滤、洗涤、烘干从陈化釜中输出的物料。

Description

制备窄粒径分布的镍钴锰三元材料前驱体材料的装置

技术领域

本实用新型涉及锂电池技术领域，具体而言，涉及一种制备窄粒径分布的镍钴锰三元材料前驱体材料的装置。

背景技术

锂电池的应用范围很广，除了传统的3C小家电，锂电池还被用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，邮电通讯的不间断电源，以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域。

正极不仅作为电极材料参与电化学反应，还要作为锂离子源，所以正极材料应尽量满足以下条件：比容量大、工作电压高、充放电的高倍率性能好、循环寿命长、安全性好等。正极材料在锂电池的总成本中占据40％以上的比例，并且正极材料的性能直接影响了锂电池的各项性能指标，所以锂电正极材料在锂电池中占据核心地位。

三元正极材料有明显的三元协同效应，综合了镍、锰、钴各自的优点，具有成本较低、比容量较高、循环性能稳定等优点，其电化学性能主要受到前驱体材料品质的影响。前驱体材料的主要性能指标包括了振实密度、平均粒径、颗粒球形度等等。采用共沉淀法制备三元材料前驱体过程中，由于二次颗粒均由一次颗粒组成，对二次颗粒形成过程及形成方式进行控制，对二次颗粒的形貌很大影响。

现有工艺生产的三元前驱体材料的颗粒大小不一，粒径分布跨度较大，一般范围都在1.2～ 1.6。由于在充电过程中极化的原因，小颗粒总是过度脱锂而结构被破坏，并且在充电态高镍小颗粒与电解液的副反应更加剧烈，高温下将更加明显，这些都导致小颗粒循环寿命较快衰减，而大颗粒的情况正好相反。材料整体的循环性能实际上是由小颗粒所决定的，这也是制约三元材料循环性进一步提升的重要因素。所以，就必须生产粒径大小均匀一致(粒径分布跨度小于0.8)的三元材料，从而尽可能的避免小颗粒和大颗粒的存在。

根据已有文献报道，目前工业上主要采用氢氧化物共沉淀法制备镍钴锰三元正极材料前驱体，然后用高温固相法合成最终产品。氢氧化物沉淀反应过程中各种工艺参数都影响着颗粒的形貌和粒径分布，如：镍钴锰盐溶液浓度、碱浓度、氨水浓度、反应温度、反应过程pH 值等等。

其中，专利CN107640792提到的高密实小粒径NCM前驱体制备方法中，引入了晶种制备和烘干筛分两个步骤来实现材料粒径分布跨度的缩小。干燥后经200目筛后得到的镍钴锰氢氧化物的粒径d10≥2微米，d50＝2.5～4微米，d90≤6微米，但小粒径颗粒无法再次利用，只能废弃。从该专利提供的电镜图片上也可以看出，筛分后颗粒均一性有所提高，但球形度不佳。

专利CN107572603中提到一种制备球形小粒径NCM前驱体的方法，通过控制pH，合成时间和陈化时间得到了粒径范围为4～5μm的前驱体颗粒。从其公布的电镜图片和粒径分布图上看出，虽然D50减小，但颗粒大小不一，均一性不好。

综上，现有技术中存在前驱体颗粒均一性不佳，制备过程工序复杂等缺点。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种制备窄粒径分布的镍钴锰三元材料前驱体材料的装置，以解决现有技术中前驱体颗粒均一性不佳的技术问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种制备窄粒径分布的镍钴锰三元材料前驱体材料的装置。该装置包括：溶液储存单元，用于向晶种制备釜和合成釜中输入溶液；用于晶种制备的晶种制备釜，设置有晶种出口；合成釜，设置有晶种加入口，晶种加入口与晶种制备釜的晶种出口相连通，合成釜用于镍钴锰三元材料前驱体材料的合成；固固分级装置，设置在合成釜的下游，具有大粒径颗粒出口和小粒径颗粒出口，小粒径颗粒出口与晶种制备釜的进料口相连通；陈化釜，设置有陈化釜进料口，与固固分级装置的大粒径颗粒出口相连通；以及后处理装置，用于过滤、洗涤、烘干从陈化釜中输出的物料。

进一步地，溶液储存单元包括金属盐溶液储存槽、氢氧化钠溶液储存槽和氨水储存槽。

进一步地，金属盐储存槽、氢氧化钠储存槽和氨水储存槽的出口处分别设置有流量控制阀。

进一步地，晶种制备釜和合成釜中均设置有搅拌元件。

进一步地，合成釜还设置有氮气输入单元。

进一步地，晶种制备釜和合成釜中均设置有pH监控元件。

进一步地，固固分级装置的可实现连续分级，并可通过调节洗水速度和进料速度实现对颗粒的分级。

进一步地，后处理装置包括过滤单元、洗涤单元和烘干单元。

应用本实用新型的技术方案，能解决现有技术中存在的镍钴锰三元材料前驱体材料颗粒粒径分布跨度大，中位粒径较大，振实密度较低等问题，并达到了对产品粒径的精准控制的目的，半连续化生产的效率较高。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了本实用新型一实施方式的制备窄粒径分布的镍钴锰三元材料前驱体材料的装置结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

金属盐溶液储存槽11、氢氧化钠溶液储存槽12、氨水储存槽13、晶种制备釜20、合成釜30、固固分级装置40、陈化釜50、过滤洗涤装置60和干燥装置70。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

鉴于现有技术的缺点，如前驱体颗粒均一性不佳，制备过程工序复杂等缺点，本实用新型要解决的问题是，克服现有技术的不足，优选的，提供一种小粒径、窄粒径分布镍钴锰三元材料前驱体的制备方法，所得的镍钴锰氢氧化物中位粒径小、振实密度高、颗粒均匀。

根据本实用新型一种典型的实施方式，提供了一种制备窄粒径分布的镍钴锰三元材料前驱体材料的装置。该装置包括：溶液储存单元，用于向晶种制备釜和合成釜中输入溶液；用于晶种制备的晶种制备釜，设置有晶种出口；合成釜，设置有晶种加入口，晶种加入口与晶种制备釜的晶种出口相连通，合成釜用于镍钴锰三元材料前驱体材料的合成；固固分级装置，设置在合成釜的下游，具有大粒径颗粒出口和小粒径颗粒出口，小粒径颗粒出口与晶种制备釜的进料口相连通；陈化釜，设置有陈化釜进料口，与固固分级装置的大粒径颗粒出口相连通；以及后处理装置，用于过滤、洗涤、烘干从陈化釜中输出的物料。该装置是为了实现上述方法对应实用新型的装置，其各部件的效果对应上述方法中的各步骤。

优选的，溶液储存单元包括金属盐储存槽、氢氧化钠储存槽和氨水储存槽，金属盐溶液储存槽、氢氧化钠溶液储存槽和氨水储存槽的出口处分别设置有流量控制阀，晶种制备釜和合成釜中均设置有搅拌元件，进一步地，合成釜还设置有氮气输入单元。更优选的，晶种制备釜和合成釜中均设置有pH监控元件。优选的，固固分级装置的可实现连续分级，并可通过调节洗水速度和进料速度实现对颗粒的分级，进一步地，后处理装置包括过滤单元、洗涤单元和烘干单元。

根据本实用新型一种典型的实施方式，如图1所示，制备窄粒径分布的镍钴锰三元材料前驱体材料的装置包括：溶液储存单元(包括金属盐溶液储存槽11、氢氧化钠溶液储存槽12 和氨水储存槽13)，用于向晶种制备釜和合成釜中输入溶液；用于晶种制备的晶种制备釜20，设置有晶种出口；合成釜30，设置有晶种加入口，晶种加入口与晶种制备釜的晶种出口相连通，合成釜用于镍钴锰三元材料前驱体材料的合成；固固分级装置40，设置在合成釜的下游，具有大粒径颗粒出口和小粒径颗粒出口，小粒径颗粒出口与晶种制备釜的进料口相连通；陈化釜50，设置有陈化釜进料口，与固固分级装置的大粒径颗粒出口相连通；以及后处理装置 (过滤洗涤装置60和干燥装置70)，用于过滤、洗涤、烘干从陈化釜中输出的物料。

本实用新型实现了如下技术效果：

1)本实用新型的工艺流程简单，工艺参数稳定，可实现半连续操作；

2)本实用新型可制备的三元前驱体材料既具有小中位粒径，且粒径分布窄，颗粒大小均一；

3)本实用新型实现了三元产品的粒径可控性，可根据不同要求，制备不同粒径的前驱体材料；

4)本实用新型运用的返晶种方式，晶体生长致密，振实密度高。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种制备窄粒径分布的镍钴锰三元材料前驱体材料的装置，其特征在于，包括：

溶液储存单元，用于向晶种制备釜和合成釜中输入溶液；

用于晶种制备的所述晶种制备釜，设置有晶种出口；

所述合成釜，设置有晶种加入口，所述晶种加入口与所述晶种制备釜的晶种出口相连通，所述合成釜所述用于所述镍钴锰三元材料前驱体材料的合成；

固固分级装置，设置在所述合成釜的下游，具有大粒径颗粒出口和小粒径颗粒出口，所述小粒径颗粒出口与所述晶种制备釜的进料口相连通；

陈化釜，设置有陈化釜进料口，与所述固固分级装置的大粒径颗粒出口相连通；以及后处理装置，用于过滤、洗涤、烘干从所述陈化釜中输出的物料。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述溶液储存单元包括金属盐溶液储存槽、氢氧化钠溶液储存槽和氨水储存槽。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述金属盐储存槽、所述氢氧化钠储存槽和所述氨水储存槽的出口处分别设置有流量控制阀。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述晶种制备釜和所述合成釜中均设置有搅拌元件。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述合成釜还设置有氮气输入单元。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述晶种制备釜和所述合成釜中均设置有pH监控元件。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述固固分级装置的可实现连续分级，并可通过调节洗水速度和进料速度实现对颗粒的分级。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述后处理装置包括过滤单元、洗涤单元和烘干单元。