CN215429034U - 一种用于连续制备窄粒度分布三元前驱体的反应釜 - Google Patents

Abstract

一种用于连续制备窄粒度分布三元前驱体的反应釜，包括釜体，内置搅拌轴，搅拌轴自上而下间隔设置有多层搅拌桨叶；釜体内同轴悬设一导流筒，呈中空圆筒状，于筒内形成一循环腔，搅拌轴穿设于导流筒，各搅拌桨叶均位于该循环腔中；釜体的底部开设有出料口。反应釜还包括络合剂进料管、金属液进料管和主碱液进料管，三者均伸入循环腔中，三者的下端出口相互临近，均靠近最下层的搅拌桨叶，且三者的下端出口均为斜口，各斜口且均朝向最下层的搅拌桨叶。反应釜还包括辅碱液进料管，伸入釜体中，辅碱液进料管的出口处设有一喷头，该喷头位于循环腔的上方。解决现有反应釜难以实现单釜连续生产三元前驱体且控制成品的粒度分布窄的技术问题。

Description

一种用于连续制备窄粒度分布三元前驱体的反应釜

技术领域

本实用新型涉及锂离子电池正极材料技术领域，特别涉及一种用于连续制备窄粒度分布三元前驱体的反应釜。

背景技术

三元前驱体即镍钴锰氢氧化物，化学式为Ni_xCo_yMn_(1-x-y)(OH)₂，是生产三元正极材料的重要上游材料，通过与锂源（NCM333、NCM523、NCM622用碳酸锂，NCM811、NCA用氢氧化锂）混合后烧结制得三元正极成品。三元正极材料是制作锂电池的关键性材料之一，其终端下游包括新能源汽车、储能、电动工具以及3C电子产品等。

三元前驱体的制备方法有很多，一般采用共沉淀法，即将过滤除杂后的盐溶液、碱溶液、络合剂以一定的流量加入反应釜，在相应的反应条件下进行反应生成三元前驱体晶核并逐渐长大。共沉淀法分为连续法和间歇法两种制备方式，采用间歇法制备得到的三元前驱体粒径分布更窄，具有良好的一致性，但是产能相对较低；相比于间歇法，连续法有利于提高产能，增加产品批次间的稳定性。为提高生产产率，目前主流采用连续法来制备三元前驱体。

目前，工业生产中连续生产三元前驱体的方式一般采用多釜串联，即多个反应釜进行串联，即反应的造核和生长阶段分别在不同的反应釜中进行，该方法需要对多套反应釜进行控制，制备过程相对比较繁琐，要求高，产能发挥有限。若采用单釜进行连续生产三元前驱体，一般通过提高pH造晶核，然后再降低pH使晶核生长的方式，频繁的调节pH会导致反应体系波动剧烈，进而影响粒度的生长，导致粒度偏离正常范围，粒度分布宽。此外，通过提高pH造晶核容易导致晶核量过多，导致细粉增多，在正极烧结过程中会导致过烧，从而影响正极品质。

有鉴于此，针对三元前驱体如何设计一种既能实现单釜连续生产、又能实现成品粒度分布窄的反应釜是本实用新型研究的课题。

发明内容

本实用新型提供一种用于连续制备窄粒度分布三元前驱体的反应釜，其目的是要解决现有反应釜难以实现单釜连续生产三元前驱体且控制成品的粒度分布窄的技术问题。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种用于连续制备窄粒度分布三元前驱体的反应釜，所述反应釜包括釜体，该釜体内置搅拌轴，所述搅拌轴竖直设置且自上而下间隔设置有多层搅拌桨叶；所述釜体内同轴悬设一导流筒，该导流筒呈中空圆筒状，进而于筒内形成一循环腔，所述搅拌轴穿设于导流筒，各所述搅拌桨叶均位于该循环腔中；所述釜体的底部开设有出料口。

所述反应釜还包括络合剂进料管、金属液进料管和主碱液进料管，三者均伸入所述循环腔中，三者的下端出口相互临近，均靠近最下层的所述搅拌桨叶，且三者的下端出口均为斜口，各斜口且均朝向最下层的所述搅拌桨叶。

所述反应釜还包括辅碱液进料管，该辅碱液进料管伸入釜体中，辅碱液进料管的出口处设有一喷头，该喷头位于所述循环腔的上方。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1.上述方案中，所述釜体内同轴悬设一导流筒，该导流筒呈中空圆筒状，进而于筒内形成一循环腔，所述搅拌轴穿设于导流筒，各所述搅拌桨叶均位于该循环腔中。即导流筒的上端和下端均与釜体的上下两端具有一距离，导流筒的筒体与釜体之间具有一距离，以便形成物料循环路径。通过搅拌轴带动搅拌桨叶旋转，在导流筒中形成下行的混合液流道，下行的混合液经由下方的敞口向侧部流出，在导流筒外侧形成上行的混合液流道，上行的混合液再经由上方的敞口流回至导流筒中，以此形成混合液的循环流道。导流筒的设置能够带来以下效果：一、提高了对混合液的搅拌程度，加强了搅拌装置对混合液的直接机械剪切作用；二、限定了混合液的循环路径，确立了充分循环的流型，使釜体内所有物料均能通过导流筒内的强烈混合区；三、有效地控制了反应釜中混合液回流的速度和方向，获得一个特定的流型。既有利于镍钴锰混合盐溶液和碱液、络合剂的充分混合，使前驱体成形效果更好，同时也能保证前驱体颗粒的分散性较好，提高单釜生产三元前驱体的可行性。搅拌轴位于所述釜体横截面的几何中心。

2.上述方案中，所述反应釜还包括络合剂进料管、金属液进料管和主碱液进料管，三者均伸入所述循环腔中，三者的下端出口相互临近，均靠近最下层的所述搅拌桨叶，且三者的下端出口均为斜口，各斜口且均朝向最下层的所述搅拌桨叶。三根进料管的出口相互临近，在出口处形成一个较低的pH环境，其有助于络合剂、金属液以及碱液的快速反应造核成球。三根进料管的下端斜口靠近最下层搅拌桨叶，且均朝向最下层搅拌桨叶，该处剪切力较强，在较强剪切力的作用下，有利于三元前驱体颗粒的分散，防止团聚，产生过大的团聚物，有利于降低三元前驱体颗粒的粒度分布宽度。

3.上述方案中，所述反应釜还包括辅碱液进料管，该辅碱液进料管伸入釜体中，辅碱液进料管的出口处设有一喷头，该喷头位于所述循环腔的上方。辅碱液进料管通过进料碱液能够在所述导流筒外侧形成较高的pH环境，三元前驱体颗粒生长到一定程度，阻止三元前驱体颗粒的进一步长大，使得三元前驱体颗粒粒度稳定在一个较窄的区间。喷头有利于碱液在釜体中快速分散。

4.上述方案中，所述金属液进料管内径为主碱液进料管内径的两倍。有利于快速反应。

5.上述方案中，所述斜口的倾斜角度为15~30°。进一步有利于三元前驱体颗粒的分散，防止团聚，产生过大的团聚物。

6.上述方案中，所述喷头为球形多孔喷头。进一步使碱液在釜体中快速分散。

7.上述方案中，所述导流筒的下端比最下层搅拌桨叶高10~30cm。进一步使物料充分混合，保证前驱体颗粒的分散性。

8.上述方案中，所述釜体的外壁上绕制有循环传热夹套。循环传热夹套可采用现有技术，其中流通热媒（如水、水蒸气、导热油、液氮等）。

9.上述方案中，所述釜体中设有至少一组传热盘管，该传热盘管定位于釜体的内壁上，其热媒入口和热媒出口均位于釜体的外侧；所述传热盘管的管道呈螺旋状层叠排布。传热盘管可提升釜体内部的热传递效率。

10.上述方案中，所述釜体的内壁上设有挡板。挡板可采用现有技术，其作用在于改变釜体中混合液的流体力，提高前驱体的分散性。

11.上述方案中，所述络合剂进料管、金属液进料管和主碱液进料管均穿过反应釜的顶部，竖向伸入所述循环腔中。有利于三种进料管的固定。

12.上述方案中，所述辅碱液进料管穿过反应釜的顶部，竖向伸入釜体中。有利于进料管的固定。

本实用新型工作原理是：络合剂、金属液和一部分碱液分别通过络合剂进料管、金属液进料管和主碱液进料管进入釜体内，在主碱液营造的较低pH环境下，络合剂、金属液以及碱液的快速反应造核成球在搅拌桨叶旋转作用下，在导流筒中形成下行的混合液流道，在导流筒外侧形成上行的混合液流道，在循环过程中，三元前驱体颗粒继续生长。辅碱液进料管通过进料碱液，在所述导流筒外侧形成较高的pH环境，三元前驱体颗粒生长到一定程度，阻止三元前驱体颗粒的进一步长大，稳定粒度。进料的同时，进行出料，实现连续生产窄粒度分布三元前驱体。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1.本实用新型的主碱液进料管出口靠近络合剂进料管和金属液进料管的出口，在出口处形成较低pH环境，有助于络合剂、金属液以及碱液的快速反应造核成球。辅碱液进料管通过进料碱液能够在所述导流筒外侧形成较高的pH环境，三元前驱体颗粒生长到一定程度，阻止三元前驱体颗粒的进一步长大，使得三元前驱体颗粒粒度稳定在一个较窄的区间。避免单釜连续制备小颗粒过程中因频繁调节pH而导致反应体系波动剧烈，进而影响粒度的生长，导致粒度分布宽的问题。

2.本实用新型三根进料管的下端斜口靠近最下层搅拌桨叶，且均朝向最下层搅拌桨叶，该处剪切力较强，在较强剪切力的作用下，有利于三元前驱体颗粒的分散，防止团聚，产生过大的团聚物，有利于降低三元前驱体颗粒的粒度分布宽度。

3.本实用新型导流筒提高了对混合液的搅拌程度，且使釜体内所有物料均能通过导流筒内的强烈混合区，使前驱体成形效果更好，同时也能保证前驱体颗粒的分散性较好，提高单釜生产三元前驱体的可行性。

综上，本实用新型结构设计巧妙，通过主碱液进料管调节造核的较低pH环境，通过辅碱液进料管调节导流筒外侧较高pH环境，阻止三元前驱体颗粒的进一步长大，使得三元前驱体颗粒粒度稳定在一个较窄的区间，且避免提高pH造晶核导致晶核量过多、细粉增多，三元前驱体颗粒从而可获得较窄的粒度分布，实现单釜连续化生产。

附图说明

附图1为本实用新型实施例用于连续制备窄粒度分布三元前驱体的反应釜的结构示意图；

附图2为附图1中A处放大图。

以上附图中：1、釜体；2、搅拌轴；3、搅拌桨叶；4、导流筒；5、循环腔；6、出料口；7、络合剂进料管；8、金属液进料管；9、主碱液进料管；10、辅碱液进料管；11、喷头；12、循环传热夹套；13、传热盘管；14、热媒入口；15、热媒出口；16、挡板。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例：一种用于连续制备窄粒度分布三元前驱体的反应釜

参见附图1所示，所述反应釜包括釜体1，该釜体1内置搅拌轴2，所述搅拌轴2竖直设置且自上而下间隔设置有多层搅拌桨叶3；所述釜体1内同轴悬设一导流筒4，该导流筒4呈中空圆筒状，进而于筒内形成一循环腔5，所述搅拌轴2穿设于导流筒4，各所述搅拌桨叶3均位于该循环腔5中；所述釜体1的底部开设有出料口6。所述导流筒4的下端比最下层搅拌桨叶3高10~30cm。

参见附图2所示，所述反应釜还包括络合剂进料管7、金属液进料管8和主碱液进料管9，三者均穿过反应釜的顶部，竖向伸入所述循环腔5中，三者的下端出口相互临近，均靠近最下层的所述搅拌桨叶3，且三者的下端出口均为斜口，各斜口且均朝向最下层的所述搅拌桨叶3。所述金属液进料管8内径为主碱液进料管9内径的两倍。所述斜口的倾斜角度为15~30°。

所述反应釜还包括辅碱液进料管10，该辅碱液进料管10穿过反应釜的顶部，竖向伸入釜体1中，辅碱液进料管10的出口处设有一喷头11，该喷头11位于所述循环腔5的上方。所述喷头11为球形多孔喷头。

所述釜体1的外壁上绕制有循环传热夹套12。所述釜体1中设有至少一组传热盘管13，该传热盘管13定位于釜体1的内壁上，其热媒入口14和热媒出口15均位于釜体1的外侧；所述传热盘管13的管道呈螺旋状层叠排布。所述釜体1的内壁上设有挡板16。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于连续制备窄粒度分布三元前驱体的反应釜，其特征在于：

所述反应釜包括釜体（1），该釜体（1）内置搅拌轴（2），所述搅拌轴（2）竖直设置且自上而下间隔设置有多层搅拌桨叶（3）；所述釜体（1）内同轴悬设一导流筒（4），该导流筒（4）呈中空圆筒状，进而于筒内形成一循环腔（5），所述搅拌轴（2）穿设于导流筒（4），各所述搅拌桨叶（3）均位于该循环腔（5）中；所述釜体（1）的底部开设有出料口（6）；

所述反应釜还包括络合剂进料管（7）、金属液进料管（8）和主碱液进料管（9），三者均伸入所述循环腔（5）中，三者的下端出口相互临近，均靠近最下层的所述搅拌桨叶（3），且三者的下端出口均为斜口，各斜口且均朝向最下层的所述搅拌桨叶（3）；

所述反应釜还包括辅碱液进料管（10），该辅碱液进料管（10）伸入釜体（1）中，辅碱液进料管（10）的出口处设有一喷头（11），该喷头（11）位于所述循环腔（5）的上方。

2.根据权利要求1所述的用于连续制备窄粒度分布三元前驱体的反应釜，其特征在于：所述金属液进料管（8）内径为主碱液进料管（9）内径的两倍。

3.根据权利要求1所述的用于连续制备窄粒度分布三元前驱体的反应釜，其特征在于：所述斜口的倾斜角度为15~30°。

4.根据权利要求1所述的用于连续制备窄粒度分布三元前驱体的反应釜，其特征在于：所述喷头（11）为球形多孔喷头。

5.根据权利要求1所述的用于连续制备窄粒度分布三元前驱体的反应釜，其特征在于：所述导流筒（4）的下端比最下层搅拌桨叶（3）高10~30cm。

6.根据权利要求1所述的用于连续制备窄粒度分布三元前驱体的反应釜，其特征在于：所述釜体（1）的外壁上绕制有循环传热夹套（12）。

7.根据权利要求1所述的用于连续制备窄粒度分布三元前驱体的反应釜，其特征在于：所述釜体（1）中设有至少一组传热盘管（13），该传热盘管（13）定位于釜体（1）的内壁上，其热媒入口（14）和热媒出口（15）均位于釜体（1）的外侧；所述传热盘管（13）的管道呈螺旋状层叠排布。

8.根据权利要求1所述的用于连续制备窄粒度分布三元前驱体的反应釜，其特征在于：所述釜体（1）的内壁上设有挡板（16）。

9.根据权利要求1所述的用于连续制备窄粒度分布三元前驱体的反应釜，其特征在于：所述络合剂进料管（7）、金属液进料管（8）和主碱液进料管（9）均穿过反应釜的顶部，竖向伸入所述循环腔（5）中 。

10.根据权利要求1所述的用于连续制备窄粒度分布三元前驱体的反应釜，其特征在于：所述辅碱液进料管（10）穿过反应釜的顶部，竖向伸入釜体（1）中 。

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