CN220309778U - 新能源电池前驱体连续结晶系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于降低晶体粒径宽度的新能源电池前驱体连续结晶系统，包括：至少主反应釜和多个次级反应釜，主反应釜和次级反应釜均具有反应腔室和投料口，投料口与相应的反应腔室连通；以及连续浓缩系统，主反应釜和各次级反应釜通过连续浓缩系统依次连接；连续浓缩系统用于分离晶核，并将开始生长的结晶颗粒输送至下一级次级反应釜。本申请整个工艺可连续生产，相比于目前的其他工艺生产效率明显提升，制备得到的产品的一致性较好，并且粒径分布宽度较窄。

Description

新能源电池前驱体连续结晶系统

技术领域

本实用新型属于新能源电池制造领域，具体涉及一种用于降低晶体粒径宽度的新能源电池前驱体连续结晶系统。

背景技术

新能源电池在生产制造过程中，需要生产三元前驱、钠电前驱体等前驱体，这些前驱体结晶是在晶核上生长而成的结晶体。

以三元正极材料烧结为例，通常采用粒径分布较窄、大小颗粒均匀的三元前驱体进行烧结，往往能获得颗粒一致性好的效果。但是在进行大规模生产时，容易在反应釜内生成过多数量的晶核，由于三元前驱体等结晶体是以晶核为中心进行生产，数量过多的晶核就容易导致三元前驱体平均粒径过小，粒径分布过宽。

因此，如何制备粒径分布窄、平均粒径大的前驱体，是本领域亟需解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述技术问题，提供了一种用于降低晶体粒径宽度的新能源电池前驱体连续结晶系统、方法及应用。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：本申请提供了一种用于降低晶体粒径宽度的新能源电池前驱体连续结晶系统，包括：至少主反应釜和多个次级反应釜，所述主反应釜和所述次级反应釜均具有反应腔室和投料口，所述投料口与相应的所述反应腔室连通；以及

连续浓缩系统，所述主反应釜和各所述次级反应釜通过所述连续浓缩系统依次连接；所述连续浓缩系统用于分离晶核，并将开始生长的结晶颗粒输送至下一级所述次级反应釜。

在一种可选地实施例中，所述次级反应釜的数量不低于四个。

在一种可选地实施例中，所述连续浓缩系统包括过滤器和循环管路，所述过滤器用于分离晶核并截留结晶颗粒，所述过滤器具有过滤进口和过滤出口，所述过滤进口用于接收反应液；所述过滤出口同时与下一级所述次级反应釜和所述循环管路的一端连接，所述过滤出口用于输送截留的结晶颗粒，所述循环管路的另一端与所述过滤进口连接。

在一种可选地实施例中，所述过滤器包括过滤外壳，所述过滤外壳上设置有所述过滤进口、所述过滤出口和出清口，所述过滤外壳内部设置有错流滤芯，所述错流滤芯内部具有中空的原料腔，所述原料腔的一端与所述过滤进口连通、另一端与所述过滤出口连通，所述错流滤芯的膜面外部与所述过滤外壳之间形成清液腔，所述清液腔与所述出清口连通。

在一种可选地实施例中，还包括反洗管路，所述反洗管路与所述清液腔连通，以对所述错流滤芯的膜面进行反洗。

在一种可选地实施例中，所述连续浓缩系统还包括计量泵，所述计量泵与所述过滤进口通过，以使反应液通过所述计量泵进入所述过滤器。

在一种可选地实施例中，所述连续浓缩系统还包括出清管路和负压泵，所述出清口通过所述负压泵与所述出清管路连接。

根据第二方面，本申请提供了一种基于上述的新能源电池前驱体连续结晶系统的新能源电池前驱体连续结晶工艺，包括以下步骤：

将反应原料加入所述主反应釜内，而后使反应原料依序通过各个连续浓缩系统和各个所述次级反应釜，得到前驱体晶体。

在一种可选地实施例中，还包括步骤：确保各个所述次级反应釜内反应液的固含量低于临界值。

根据第三方面，本申请提供了一种如上述新能源电池前驱体连续结晶系统在新能源电池制造中的应用。。

本申请的有益效果是：利用本申请提供的新能源电池前驱体连续结晶系统，使得整个工艺可连续生产，相比于目前的其他工艺生产效率明显提升。通过多个连续浓缩系统，能够及时的将反应液中的晶核及时滤除，避免小粒径颗粒生成，降低粒径分布宽度，通过一个或多个次级反应釜的连续长晶，延长长晶时间，产品在最后一个次反应釜溢流排出，产品的一致性较好，并且粒径分布宽度较窄。

附图说明

图1为一种实施例中本申请的整体管路示意图；

图2为一种实施例中本申请连续浓缩系统的管路示意图；

图3为通过本申请实施例制备的三元前驱体的SEM图。

附图标记说明：主反应釜1、次级反应釜2、连续浓缩系统3、过滤器31、滤器外壳311、过滤进口312、过滤出口313、出清口314、错流滤芯315、反洗管路32、循环管路33、循环泵331、计量泵34、出清管路35、负压泵351。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本申请的原理和特征进行描述，所举实施例例只用于解释本申请，并非用于限定本申请的范围。

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或实施例。为简化公开内容，下面描述了各特征存在的一个或多个排列的具体实施例，但所举实施例不作为对本说明书的限定,在说明书中随后记载的第一特征与第二特征连接，即可以包括直接联系的实施方式，也可以包括形成附加特征的实施方式，进一步的，也包括采用一个或多个其他介入特征使第一特征和第二特征彼此间接连接或结合，从而第一特征和第二特征可以不直接联系。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1和图2所示，本申请公开了一种用于降低晶体粒径宽度的新能源电池前驱体连续结晶系统，其包括：至少两个反应釜和连续浓缩系统3。

其中，连续浓缩系统3用于分离晶核，并截留已经开始生长的结晶颗粒，该连续浓缩系统3能够将截留的结晶颗粒输送至下一级反应釜。例如，该连续浓缩系统3可以是具有过滤膜或过滤网等过滤组件的系统，由于未开始结晶的晶核体积极小，而已经开始生长的结晶则具备一定的体积，因此选择具有一定滤径的连续浓缩过滤系统，即可将晶核分离排出。

其中，各反应釜依次设置并通过连续浓缩系统3依次连接，在本申请中将第一个进行反应的反应釜定义为主反应釜1，其余反应釜定义为次级反应釜2，主反应釜1和次级反应釜2的结构均相同。

示例性的，上述主反应釜1和次级反应釜2均可以采用已知的三元前驱体或其他新能源电池前驱体所用到的反应釜，该反应釜其内部具有用于进行反应的反应腔，通过向该反应腔内加入反应原料，从而能够形成前驱体晶核、并促使晶核生长成前驱体晶体。在进行反应时，以三元前驱体的反应为例，通过向反应腔内部投放碱溶液、盐溶液和氨溶液，再控制合适的反应条件，从而能够制备得到三元前驱体，可以理解的是，本申请对所采用的碱溶液、盐溶液和氨溶液以及反应条件不做限定，其可以采用现有的三元前驱体反应。

上述主反应釜1和次级反应釜2虽然结构相同，但是其内部所进行的工作原理有所差异，在具体的工作时，本申请的步骤如下：首先将反应原料加入至主反应釜1中，反应原料在主反应釜1内进行反应，此时可以控制反应条件(例如改变温度、原料浓度、进料流速等方式)，使反应原料在主反应釜1中迅速成核，并减少反应液在主反应釜1中的停留时间，当反应液在主反应釜1中停留一段时间后(反应原料在主反应釜1中停留的时间可以通过控制主反应釜1与相邻的连续浓缩系统3的流量进行控制)，此时，反应液进入到连续浓缩系统3，以将还没有开始生长结晶的晶核随清液排出，而已经开始生长形成的结晶颗粒则被截留在连续浓缩系统3中，这些被截留下来的结晶颗粒则会随着涌入的反应液以浓水的形式流向下一级的次级反应釜2；在次级反应釜2中，反应原料继续反应，结晶颗粒则继续进行生长，由于已经通过连续浓缩系统3排除了一部分还未开始生长的晶核，降低了晶核的数量，同时对反应液进行了浓缩、提高了反应液的固含量，从而能够有效的降低结晶颗粒的分布宽度，提高结晶颗粒的大小；本申请中，次级反应釜2的数量可以基于所需晶体粒径的大小进行适应性的选择，例如，在具体的示例中，上述次级反应釜2可以是四个。

在本申请公开的实施例中，为了减少新的二次聚结颗粒的产生，上述各次级反应釜2需要保持在较低的过饱和度下进行，确保反应液的固含量控制在临界值以下。其中固含量可以通过控制次级反应釜2的流量、流速，以及通过向次级反应釜2二次投放反应原料实现，通过浓缩浓度、和进料浓度及流量的综合调控，避免后续反应时的反应液的固含量超过临界值，导致产生二次聚结颗粒；本申请通过控制次级反应釜内反应液的固含量，从而使整个工艺受控，保证产品质量。

本申请通过主反应釜1的反应快速形成晶核，而后借由连续浓缩系统3排出一部分晶核，以减少晶核的数量；而后继续在次级反应釜2中继续生长结晶，通过减少晶核的数量能够有效的提高结晶的粒径、降低结晶的分布宽度，通过多个次级反应釜2不但延长了长晶时间，且次级反应釜2的具体数量可根据最终产品的目标粒径进行适应性的选择，从而实现粒径大小和粒径分布可控。

在一些具体的实施例中，如图2所示，上述连续浓缩系统3包括过滤器31、循环管路33和出清管路35，具体而言，过滤器31用于截留已经开始生长结晶的固相前驱体，从而对前驱体进行浓缩，同时，该过滤器31还用于分离还未开始生长的晶核。在一种实施例中，上述过滤器31由过滤外壳和设置在过滤外壳内的错流滤芯315组成；其中，过滤外壳的形状可以基于需求进行适应性的选择，例如，在具体的示例中，上述过滤外壳由筒体、上封端和下封端组成，筒体内部设置有空腔以容纳错流滤芯315，上封端和下封端则固定在筒体的上下两端，以对筒体的两端进行密封；上述过滤外壳上设置有与筒体内部连通的过滤进口312、过滤出口313和出清口314，其中，过滤进口312与相邻的主反应釜1的出口或次级反应釜2的出口连接，以接收由主反应釜1或次级反应釜2排出的反应液，错流滤芯315则用于截留固体颗粒并分离晶核，截留的固体随着部分反应液混合，形成浓水被冲至过滤出口313；而上述出清口314则用于接收由错流滤芯315所分离出的清液。

在更加具体的示例中，上述错流滤芯315为管式滤芯，具体而言，该错流滤芯315包括膜面，该膜面在周向上围合形成管状结构，其内部所围合限定的通道定义为原料腔；上述原料腔的一端与过滤进口312连通、另一端与过滤出口313连通，例如，上述过滤进口312可以开设在过滤外壳的下封端上，上述过滤出口313则相对的开设在上封端上，反应液由错流滤芯315的下端进入原料腔，而后固相被截留在原料腔中，晶核则通过膜面排出到原料腔外(晶核的体积极小，无法被膜面截留)；在该实施例中，上述错流滤芯315的膜面外部与过滤外壳之间存在一定的间隙，本申请将该间隙定义为清液腔，上述出清口314则开设在过滤外壳的侧壁上并与清液腔连通。可以理解的是，为了将错流滤芯315更加稳定、牢固的固定在过滤外壳内，上述过滤外壳内部的两端固定安装有滤芯安装孔板，通过滤芯安装孔板对上述错流滤芯315进行固定。更进一步的，上述错流滤芯315的材质可采用L不锈钢，其既具有良好的耐磨损性能，也不会向物料中引入磁性异物。

本申请采用错流滤芯315进行浓缩和分离，在过滤时，流体沿错流滤芯315的膜面方向流动，其剪切力可以对残留在膜面的滤饼形成冲刷，从而可减缓滤饼的厚度增加，相较于终端类滤芯(例如滤网)等，使错流滤芯315能够保持较为稳定的通量，为连续浓缩和过滤提供了必要条件。

上述过滤器31在工作时，反应液则会进入到过滤器31中，其中还未开始生长的晶核则会被排出至清液腔，从而达到减少反应液中晶核的目的，而已经开始生长的晶核则会以晶体颗粒的形式被截留下来，并被反应液冲刷到过滤出口313完成浓缩，以浓水的形态进入到下一级反应中(即，进入到下一级的次级反应釜2中)；本申请在进行浓缩和分离时，可以通过控制过滤器31中排出的清液与进入的反应液的流量比例，从而实现连续的不间断浓缩。因此，在可选地实施例中，为了更好地控制反应液进入过滤器31的流速和流量，上述过滤进口312设置有计量泵34(例如，蠕动泵)，以精准的获取进入过滤器31的流量，类似的，上述出清口314可以与出清管路35连接以排出含有晶核的清液，出清口314通过负压泵351与出清管路35连接，负压泵351一方面为过滤提供动力、另一方面能够对排出的清液进行计量且能保证出清的稳定性。

上述循环管路33一端与过滤出口313连通、另一端通过循环泵331与过滤进口312连通，具体的，循环管路33能够将一部分过滤出口313排出的浓水与进入过滤器31的反应液汇合，而后进入循环泵331入口，保证满足循环速度所需要的物料流量。

本申请的过滤器31，通过物料循环，借由物料循环流动可以省略搅拌设备，从而能够有效地减少过滤器31的体积，同时，物料在循环过程中能够带走残留在过滤器31膜面的滤饼，从而保持过滤器31的通量，为实现连续浓缩和分离提供基础。

在一种可选地设计中，还包括反洗管路32，反洗管路32与清液腔连通，以对错流滤芯315的膜面进行反洗，在反洗时，通过反洗管路32向清液腔注入清水，从而能够对错流滤芯315的膜面进行冲洗，以使得残留的滤饼冲洗下来。

为了便于对本申请的效果进行说明，本申请提供了一种更加具体的实施例，该实施例的具体参数如下表所示：

按照上述条件实施三元前驱体的连续生产结晶，最终得到的三元前驱体能够连续产出，其产量为20L/h，产物的固含量约450g/L。

制备得到的三元前驱体结晶的形貌如图3所示，其粒径形貌一致性较好，本申请能够实现新能源电池前驱体的连续生产，解决了连续法生产中粒径分布较宽的问题，产品一致性较好。

本申请利用本申请提供的新能源电池前驱体连续结晶系统，使得整个工艺可连续生产，相比于目前的其他工艺生产效率明显提升。

本申请通过主反应釜1的合理设计及运用，主反应釜1连续产出粒径较小、分布较窄的颗粒供后续长晶。连续浓缩系统3可连续实现高浓度浓浆，并且浓度可调控，以满足不同需求。

本申请中，连续浓缩系统3不需要搅拌，占地面积极小、投入低，且抗污染性能好，且能够长时间保证过滤器31的通量。

主反应釜1和各个次级反应釜2之间通过多个浓缩系统连接，能够及时的将反应液中的晶核及时滤除，从而减少晶核含量，避免形成小粒径的晶体颗粒生成、降低粒径分布宽度。

本申请中，可以通过对次级反应釜2的反应液浓度、流量、流速进行综合调控，从而有效的控制次级反应釜2内反应液的固含量，在反应时减少新的二次聚结颗粒产生，进一步避免使粒径分布过宽。

本申请经过一个或多个的次级反应釜2的进行连续长晶，有效地延长了长晶时间，前驱体产品在经过最后一个次级反应釜2后溢流排出，晶体颗粒的反应调节和时间能够较大程度的保持一致，因此制备得到的产品的一致性较好，并且粒径分布宽度较窄。

本说明书中使用了流程图或文字来说明根据本申请的实施例所执行的操作步骤。应当理解的是，本申请实施例中的操作步骤不一定按照记载顺序来精确地执行。相反，根据需要，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.新能源电池前驱体连续结晶系统，其特征在于，包括：至少主反应釜和多个次级反应釜，所述主反应釜和所述次级反应釜均具有反应腔室和投料口，所述投料口与相应的所述反应腔室连通；以及

连续浓缩系统，所述主反应釜和各所述次级反应釜通过所述连续浓缩系统依次连接；所述连续浓缩系统用于分离晶核，并将开始生长的结晶颗粒输送至下一级所述次级反应釜。

2.如权利要求1所述的新能源电池前驱体连续结晶系统，其特征在于，所述次级反应釜的数量不低于四个。

3.如权利要求1所述的新能源电池前驱体连续结晶系统，其特征在于，所述连续浓缩系统包括过滤器和循环管路，所述过滤器用于分离晶核并截留结晶颗粒，所述过滤器具有过滤进口和过滤出口，所述过滤进口用于接收反应液；所述过滤出口同时与下一级所述次级反应釜和所述循环管路的一端连接，所述过滤出口用于输送截留的结晶颗粒，所述循环管路的另一端与所述过滤进口连接。

4.如权利要求3所述的新能源电池前驱体连续结晶系统，其特征在于，所述过滤器包括过滤外壳，所述过滤外壳上设置有所述过滤进口、所述过滤出口和出清口，所述过滤外壳内部设置有错流滤芯，所述错流滤芯内部具有中空的原料腔，所述原料腔的一端与所述过滤进口连通、另一端与所述过滤出口连通，所述错流滤芯的膜面外部与所述过滤外壳之间形成清液腔，所述清液腔与所述出清口连通。

5.如权利要求4所述的新能源电池前驱体连续结晶系统，其特征在于，还包括反洗管路，所述反洗管路与所述清液腔连通，以对所述错流滤芯的膜面进行反洗。

6.如权利要求3所述的新能源电池前驱体连续结晶系统，其特征在于，所述连续浓缩系统还包括计量泵，所述计量泵与所述过滤进口通过，以使反应液通过所述计量泵进入所述过滤器。

7.如权利要求4所述的新能源电池前驱体连续结晶系统，其特征在于，所述连续浓缩系统还包括出清管路和负压泵，所述出清口通过所述负压泵与所述出清管路连接。