一种三元材料前驱体的制备设备及制备方法技术

本发明专利技术属于锂离子电池正极材料技术领域，尤其涉及一种三元材料前驱体的制备设备，包括依次通过管道连接的射流管式反应器、超声陈化池、第一鼓膜式板框压滤机、预干燥设备、湿法搅拌球磨机、第二鼓膜式板框压滤机、打浆机、物料输送泵和喷雾干燥塔，所述射流管式反应器连接有混合盐溶液储罐和共沉淀剂储罐。相对于现有技术，本发明专利技术能够增强共沉淀反应的可控性，缩短制备周期，实现大量连续的制备，有利于其在工业制备三元材料的实际应用。此外，本发明专利技术通过调节镍钴锰的比例参数，可获得不同类型的三元前驱物，以满足不同的应用需求。本发明专利技术还公开了一种采用以上设备制备三元材料前驱体的方法。

Preparation equipment and preparation method of three element material precursor

The invention belongs to the technical field of cathode materials for lithium-ion batteries, in particular to a preparation device for ternary material precursors, including a jet tube reactor, an ultrasonic aging tank, a first drum-type plate-frame filter press, a pre-drying device, a wet stirring ball mill, a second drum-type plate-frame filter press, connected in turn through a pipeline. The jet tubular reactor is connected with a mixed salt solution tank and a coprecipitant tank. Compared with the prior art, the invention can enhance the controllability of the coprecipitation reaction, shorten the preparation period, and realize a large number of continuous preparation, which is beneficial to the practical application of the ternary material prepared in industry. In addition, different types of ternary precursors can be obtained by adjusting the ratio parameters of nickel, cobalt and manganese to meet different application requirements. The invention also discloses a method for preparing three component precursor by adopting the above equipment.

【技术实现步骤摘要】
一种三元材料前驱体的制备设备及制备方法
本专利技术属于锂离子电池正极材料
，尤其涉及一种三元材料前驱体的制备设备及制备方法。
技术介绍
锂离子电池被广泛应用于电子通信设备、电动汽车等领域。随着技术的不断发展，人们对锂离子电池能量密度、稳定性等的要求也越来越高。正极材料作为锂离子电池的重要组成部分，其性能直接决定了锂离子电池的性能，其成本的高低也直接影响锂离子电池的价格。常见的商用锂离子电池正极材料有钴酸锂、锰酸锂、三元材料(NCM、NCA)和磷酸铁锂等。其中三元材料兼顾了镍、钴、锰(或镍、钴、铝)三种材料的优点，具有较高的能量密度和较好的循环性能，而且用价格低廉的镍锰代替成本较高的钴材料，同时兼顾了成本优势。前驱体的制备在三元材料的应用中尤为关键，共沉淀法操作简单、反应稳定，是一种常用的三元材料前驱体制备方法。但传统的釜式共沉淀反应在工业应用中存在许多问题。物料在反应釜内进行混合反应时，由于反应釜本身的结构缺陷，混合不均匀，使得反应产物的颗粒一致性差，影响材料的性能。此外，在反应过程中需要对温度和pH进行严格的控制，加料不能过快，使得整个反应时间长达十几甚至几十个小时。在混合反应和陈化过程中，还需要进行搅拌，反应能耗大，易对晶粒的结构造成破坏。也就是说，现有技术在传统的釜式共沉淀反应制备三元材料前驱体中，还存在以下需要解决的技术难题：使物料充分并快速均匀地混合反应，以及对温度、pH的精确控制以获得性能良好且一致性强的产品颗粒。另外，如何缩短制备时间，简化合成过程，进行大批量的连续生产则是三元材料前驱体在工业应用中的另一技术难题。在后续的陈化处理过程中，长时间的保温和搅拌，会产生大量的能耗，节能降耗也是工业生产上急需解决的难题。有鉴于此，本专利技术旨在提供一种三元材料前驱体的制备设备及制备方法，其能够增强共沉淀反应的可控性，缩短制备周期，实现大量连续的制备，有利于其在工业制备三元材料的实际应用。此外，本专利技术通过调节镍钴锰的比例参数，可获得不同类型的三元前驱物，以满足不同的应用需求。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种三元材料前驱体的制备设备，其能够增强共沉淀反应的可控性，缩短制备周期，实现大量连续的制备，有利于其在工业制备三元材料的实际应用。此外，本专利技术通过调节镍钴锰的比例参数，可获得不同类型的三元前驱物，以满足不同的应用需求。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种三元材料前驱体的制备设备，包括依次通过管道连接的射流管式反应器、超声陈化池、第一鼓膜式板框压滤机、预干燥设备、湿法搅拌球磨机、第二鼓膜式板框压滤机、打浆机、物料输送泵和喷雾干燥塔，所述射流管式反应器连接有混合盐溶液储罐和共沉淀剂储罐。作为本专利技术三元材料前驱体的制备设备的一种改进，所述射流管式反应器和所述混合盐溶液储罐之间设置有第一恒流泵，所述射流管式反应器和所述共沉淀剂储罐之间设置有第二恒流泵。作为本专利技术三元材料前驱体的制备设备的一种改进，所述射流管式反应器内设置有螺旋形的通道，并且所述通道置于超声装置内，物料在射流管式反应器中撞击混合，并在螺旋形的通道内进行充分反应。作为本专利技术三元材料前驱体的制备设备的一种改进，所述混合盐溶液储罐和所述共沉淀剂储罐内均设置有加热装置和控温装置，所述射流管式反应器设置有保温结构。作为本专利技术三元材料前驱体的制备设备的一种改进，所述超声陈化池为全封闭的陈化池。作为本专利技术三元材料前驱体的制备设备的一种改进，所述预干燥设备还连接有废气回收装置。本专利技术的另一个目的在于使用本专利技术所述的反应设备连续制备三元锂电材料的方法，至少包括如下步骤：第一步，按比例将镍盐、钴盐、L盐加入溶剂中混合均匀，获得1mol/L～4mol/L的混合盐溶液，所述L盐为锰盐或铝盐，将该混合盐溶液加入混合盐溶液储罐中；按比例混合1mol/L～4mol/L的NaOH和1mol/L～4mol/L的氨水，得到共沉淀剂溶液，加入共沉淀剂储罐中；第二步，将混合盐溶液储罐和共沉淀剂储罐中的溶液加热到50～60℃，向射流管式反应器中进料，使得混合浆料的pH值为10～11；第三步，混合盐溶液和共沉淀剂溶液在射流管式反应器中快速混合反应后，从出料口入到超声陈化池中，陈化持续时间为2～8h；第四步，第一鼓膜式板框压滤机将陈化完成的浆料进行固液分离，所得到的滤饼在预干燥设备中于100～120℃干燥3-10h后，干燥后的物料利用湿法搅拌球磨机加入纯水进行粉碎处理；第五步，第二鼓膜式板框压滤机将湿法搅拌球磨机粉碎后的浆料进行洗涤和固液分离，打浆机将获得的滤饼加纯水打成15～30wt％固含量的浆料，物料输送泵将浆料输送至喷雾干燥塔进行喷雾造粒制得三元前驱体，喷雾干燥塔的进口温度为100～200℃，出口温度为100～200℃。作为本专利技术方法的一种改进，混合盐溶液和共沉淀剂溶液均通过恒流泵的精确计量，以恒定进料比向射流管式反应器中进料。作为本专利技术方法的一种改进，NaOH与氨水的体积比为(0.1-10)：1。作为本专利技术方法的一种改进，所述镍盐为硝酸镍、醋酸镍、草酸镍中的至少一种，所述钴盐为硝酸钴、醋酸钴、草酸钴中的至少一种，所述锰盐为硝酸锰、醋酸锰、草酸锰中的至少一种，所述铝盐为硝酸铝、醋酸铝、草酸铝中的至少一种，第一步所述溶剂为水、NMP、乙醇和丙酮中的至少一种。相对于现有技术，本专利技术至少具有如下有益效果：首先，储罐、反应器和陈化池相互之间通过管道连接，有效避免了氨水挥发影响pH值，以及净化了空气和工况条件。特别地，通过精确的温度控制和进料流量控制，严格保证了反应物料的配比和pH值的稳定，使共沉淀反应更均匀、更迅速、更完全，制备的产物稳定性和一致性更好。其次，本专利技术技术方案采用射流管式反应器，通过物料的射流撞击混合反应，并在随后的超声螺旋通道中进一步充分混合反应，极大地缩短了反应时间，可快速、连续地制备三元前驱体，工艺可控性强，易于放大生产。再次，本专利技术采用的全封闭超声陈化槽，一方面有效保障了陈化过程的pH值稳定性；另一方超声波还具有促进晶化过程、防止颗粒团聚和球化颗粒形貌等多种作用，能够极大缩短陈化时间，制备出球形度更好、更致密和尺寸更均一的三元前驱体。此外，本专利技术技术方案中，陈化处理后的物料经鼓膜式板框压滤机固液分离后，不需洗涤，直接就进入预干燥炉中干燥处理，并回收干燥过程中挥发的NH3再利用。预干燥后的三元前驱体脱除了绝大部分的水分和氨水，体积大大减小，极大地降低了洗涤难度，同时极大地减少洗涤废水的排放量，具有突出的环保效益。更重要的是将喷雾浆料的固含量提高到了15％以上。相比于没有预烧、固含量不到8％的三元前驱体浆料，节能效果显著。最后，本专利技术技术方案采用精密恒流泵控制物料的计量比，镍钴锰的计量比控制精确，通过简单的调控恒流泵的流量就可以方便的改变镍钴锰的计量比，适用于多种配比的三元材料的制备。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术中实施例1所得的三元材料前驱体的XRD图。图3为本专利技术中实施例1所得的三元材料前驱体的扫描电镜(SEM)和面扫元素分布(Mapping)图。图4为本专利技术中实施例2所得的三元材料前驱体的XRD图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术及其有益效果进行详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三元材料前驱体的制备设备，其特征在于，包括依次通过管道连接的射流管式反应器、超声陈化池、第一鼓膜式板框压滤机、预干燥设备、湿法搅拌球磨机、第二鼓膜式板框压滤机、打浆机、物料输送泵和喷雾干燥塔，所述射流管式反应器连接有混合盐溶液储罐和共沉淀剂储罐。

【技术特征摘要】
1.一种三元材料前驱体的制备设备，其特征在于，包括依次通过管道连接的射流管式反应器、超声陈化池、第一鼓膜式板框压滤机、预干燥设备、湿法搅拌球磨机、第二鼓膜式板框压滤机、打浆机、物料输送泵和喷雾干燥塔，所述射流管式反应器连接有混合盐溶液储罐和共沉淀剂储罐。2.根据权利要求1所述的三元材料前驱体的制备设备，其特征在于，所述射流管式反应器和所述混合盐溶液储罐之间设置有第一恒流泵，所述射流管式反应器和所述共沉淀剂储罐之间设置有第二恒流泵。3.根据权利要求1所述的三元材料前驱体的制备设备，其特征在于，所述射流管式反应器内设置有螺旋形的通道，所述通道置于超声装置内，物料在射流管式反应器中撞击混合，并在螺旋形的通道内进行充分反应。4.根据权利要求1所述的三元材料前驱体的制备设备，其特征在于，所述混合盐溶液储罐和所述共沉淀剂储罐内均设置有加热装置和控温装置，所述射流管式反应器设置有保温结构。5.根据权利要求1所述的三元材料前驱体的制备设备，其特征在于，所述超声陈化池为全封闭的陈化池。6.根据权利要求1所述的三元材料前驱体的制备设备，其特征在于，所述预干燥设备还连接有废气回收装置。7.一种使用权利要求1-6任一项所述的反应设备制备三元锂电材料的方法，其特征在于，至少包括如下步骤：第一步，按比例将镍盐、钴盐、L盐加入溶剂中混合均匀，获得1mol/L～4mol/L的混合盐溶液，所述L盐为锰盐或铝盐，将该混合盐溶液加入混合盐溶液储罐中；按比例混合1mol...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏春光，梁燕，静霞，李立良，
申请(专利权)人：深圳市寒暑科技新能源有限公司，纳威科技深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44