一种钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器及其系统的制作方法

本实用新型涉及化工技术领域，涉及一种钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器及其系统。

背景技术：

镍钴锰三元材料因安全性好、比容量高、循环寿命长等优点，逐渐成为锂离子电池正极材料的主流。镍钴锰三元前驱体的品质对合成的镍钴锰三元正极材料的影响至关重要。

目前合成镍钴锰三元前驱体的方法很多，如水热法、固相法、溶胶-凝胶法、喷雾干燥法、共沉淀法等。其中，共沉淀法因其对前驱体的结晶化过程、颗粒的形貌及尺寸的可控性而被广泛使用。但是，共沉淀法存在以下几个缺点：反应过程中使用氨水或者铵盐作为络合剂，后续反应液的处理比较棘手，会产生严重的环境污染问题；由于镍钴锰三元前驱体在络合剂的作用下经过较长时间的反应堆积而形成，因此颗粒呈球状、尺寸较大、反应活性低；镍钴锰三元前驱体颗粒长大消耗时间长，延长了合成时间。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器及其系统。

一方面，本实用新型提供了一种钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器，包括：反应器本体、第一隔板、第二隔板、第一入口、第二入口、第一出口、第二出口、排液口；其中，所述第一隔板与所述反应器本体的底部和侧壁形成第一腔体；所述第二隔板与所述第一隔板和/或所述反应器本体的侧壁以及形成第二腔体；所述第一隔板、所述第二隔板以及所述反应器本体的侧壁形成反应腔；所述第一出口位于所述第一隔板上部，分别与所述第一腔体和所述反应腔连通；所述第二出口位于所述第二隔板上部，与所述第二腔体和所述反应腔连通；所述第一入口与所述第一腔体连通；所述第二入口与所述第二腔体连通；所述排液口位于所述反应器上部，用于排出反应液。

优选的，所述第一出口的数量为至少一个，且均匀分布在所述第一隔板上部；所述第二出口到的数量为至少一个，且均匀分布在所述第二隔板的侧壁。

优选的，所述钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器还包括：第三隔板；所述第三隔板与所述第一隔板形成第三腔体；所述第三隔板与所述第一隔板、所述第二隔板、所述反应器本体的侧壁形成反应腔。

优选的，所述钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器还包括：搅拌器，所述搅拌器安装在所述反应器本体顶部。

优选的，所述第二隔板横截面的形状包括ㄇ形、┏形、〕形、ㄈ形、∩形；第三隔板横截面的形状包括ㄇ形、∩形。

优选的，第二隔板为螺旋型或蛇形。

优选的，所述第二隔板上部设有水平挡板，所述水平挡板水平方向垂直安装在所述反应器本体的侧壁上。

优选的，所述反应器本体的侧壁安装有至少一个折流挡板。

优选的，所述钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器还包括：三个阀门，分别与所述第一入口、所述第二入口和所述排液口相连接。

另一方面，本实用新型提供了一种钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器系统，包括：上述的钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器、第一流量计、第二流量计、第一储液罐、第二储液罐、反应釜；所述第一储液罐、所述第一流量计与所述钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器的第一入口串联连接；所述第二储液罐、所述第二流量计与所述钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器的第二入口串联连接；所述排液口与所述反应釜连接。

本实用新型的技术方案具有如下的有益效果：

(1)本实用新型的钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器可使镍钴锰三元溶液与碱溶液在较小的空间内瞬间反应，防止ni、co、mn在不同ph环境下的扩散，使各元素分布更加均匀，反应速度加快，提高了合成阶段的效率；

(2)采用本钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器制备的镍钴锰三元前驱体的中位粒度d50为3-5μm，比表面积为60～80m²/g，比传统氨络合制备的镍钴锰三元前驱体反应活性高。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。

图1为本实用新型一个实施例的钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器内部结构示意图；

图2为本实用新型较佳实施例的钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器内部结构示意图；

图3为本实用新型较佳实施例的钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器内部结构示意图。

具体实施方式

为了充分了解本实用新型的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本实用新型作详细说明。本实用新型的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

针对目前合成的氢氧化镍钴锰三元前驱体颗粒为均匀的球形、合成过程时间长并且需要引入氨水或者铵盐作为络合剂等问题，本实用新型提供了一种钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器，借此可快速得到无定型的镍钴锰三元前驱体，采用本实用新型的钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器可以避免使用氨水或者铵盐，工艺环保无污染，并且降低了生产成本。

一方面，如图1-3所示，本实用新型提供了一种钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器，包括：反应器本体10、第一隔板11、第二隔板12、第一入口15、第二入口16、第一出口13、第二出口14、排液口17；其中，所述第一隔板11与所述反应器本体10的底部和侧壁形成第一腔体23；所述第二隔板12与所述第一隔板11和/或所述反应器本体10的侧壁形成第二腔体24；所述第一隔板11、所述第二隔板12以及所述反应器本体10的侧壁形成反应腔25；所述第一出口13位于所述第一隔板11上部，分别与所述第一腔体23和所述反应腔25连通；所述第二出口14位于所述第二隔板12的侧壁，与所述第二腔体14和所述反应腔24连通；所述第一入口15与所述第一腔体23连通；所述第二入口16与所述第二腔体24连通；所述排液口17位于所述反应器上部，用于排出反应液。

其中，在一些实施方式中，所述第一腔体23为钴镍锰三元溶液腔，所述第二腔体24为碱液腔，在又一些实施方式中，所述第一腔体23为碱液腔，所述第二腔体24为钴镍锰三元溶液腔。

其中，所述第一出口13的数量为至少一个，且均匀分布在所述第一隔板11上部；所述第二出口14到的数量为至少一个，且均匀分布在所述第二隔板12的侧壁。将所述第一出口13和所述第二出口14的数量设置为多个，可以加快生产速度。

其中，如图1所示，所述第一腔体23和所述第二腔体24位于所述反应器本体内部的下端，所述反应腔25由连通的第一反应腔251和第二反应腔252组成。其中，所述第一反应腔251处于所述第一隔板11和所述第二隔板12之间，由于其体积小，当碱溶液和钴镍锰三元溶液从出口进入第一反应腔251时二者瞬间固化完成反应，使各元素分布更加均匀，随着反应的进行，合成液上升进入体积较大的第二反应腔252中。

在一些优选的实施方式中，如图2所示，所述钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器还包括：第三隔板26；所述第三隔板26与所述第一隔板11形成第三腔体27；所述第三隔板26与所述第一隔板11、所述第二隔板12、所述反应器本体10的侧壁形成反应腔25。其中，所述第三腔体27为空腔，设置所述第三腔体的目的是为了减小碱液与镍钴锰三元溶液反应的空间，以便达到钴镍锰三元溶液与碱液瞬间反应的目的。

其中，所述第二隔板横截面12的形状包括但不限于ㄇ形、┏形、〕形、ㄈ形、∩形，只要其能够与第一隔板11和/或反应器本体10内侧壁形成封闭空间即可；所述第三隔板26横截面的形状包括但不限于ㄇ形、∩形，只要其能够与第一隔板11形成封闭的第三腔体即可。

在一些优选的实施方式中，所述第二隔板12的横截面为∩形，且所述第二隔板12整体呈螺旋形或蛇形。通过这种方式可以极大地增加第一出口13和第二出口14的数量，增加第一反应腔251的长度，提高生产效率。

其中，所述钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器还包括：搅拌器19，所述搅拌器19安装在所述反应器本体10顶部。所述搅拌器19用于对合成液进行搅拌，避免钴镍锰单元前驱体粒度变大。

在一些优选的实施方式中，如图3所示，所述第二隔板上部设有水平挡板28，所述水平挡板28水平方向垂直安装在所述反应器本体10的侧壁上。通过设置所述水平挡板28，可以增加第一反应腔251中反应通道的长度，使镍钴锰三元溶液与碱液充分反应。

在一些优选的实施方式中，如图1至3所示，所述反应器本体10的侧壁安装有至少一个折流挡板18。所述折流挡板18可以增加反应液的湍流程度，以分散合成浆料，得到无定形的钴镍锰三元前驱体。

优选的，所述折流挡板位18于所述排口17下部，且所述折流挡板18的分布具有一定的分散规律。

优选的，所述钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器还包括：三个阀门(20、21、22)，分别与所述第一入口15、所述第二入口16和所述排液口17相连接。所述阀门(20、21、22)用于保证钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器可处于封闭状态。

另一方面，本实用新型提供了一种钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器系统，包括：上述的钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器、第一流量计、第二流量计、第一储液罐、第二储液罐、反应釜；其中，所述第一储液罐、所述第一流量计与所述钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器的第一入口连接；所述第二储液罐、所述第二流量计与所述钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器的第二入口连接；所述排液口与所述反应釜连接。

其中，所述第一流量计和所述第二流量计用于控制钴镍锰三元溶液和碱液的流速。

其中，所述反应釜包括搅拌器，用于收集并搅拌本实用新型的钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器中生成的含有无定型的镍钴锰三元前驱体的反应液。

在一些优选的实施方式中，所述钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器系统还包括鼓气装置，所述鼓气装置分别与所述第一储液罐和所述第二储液罐连接。所述鼓气装置用于将惰性气体(如氮气)鼓入第一储液罐和第二储液罐，然后使惰性气体伴随镍钴锰三元溶液和碱液鼓入本实用新型的钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器。

下面以图3示出的钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器为例，对本实用新型的钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器的工作过程、实施效果进行说明。

如图3所示，本实用新型的钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器。所述钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器是一个圆柱形装置，内部上端有分散在器壁的折流挡板18，内部下端有三个腔：第一腔体23、第二腔体24、第三腔体27，其中第一腔体23为碱液腔，第二腔体24为镍钴锰三元溶液腔，所述第三腔体27为空腔。其中，在碱液腔上部和镍钴锰三元溶液腔内侧部分别有分布均匀的第一出口13和第二出口14；反应器本体10外部下端有碱溶液和镍钴锰三元溶液的入口，即：第一入口15和第二入口16；反应器本体10外部上端有反应合成液的出口17并连接一个反应釜(未示出)。

具体实施时，同时开启钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器内的搅拌器19和两个流量计(未示出)，转速控制为2000r/min，镍钴锰三元溶液和碱液在钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器内三个微腔连接处251开始反应，钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器内液位上升至出口后，浆料溢流至储液罐内。150g/l浓度的镍钴锰三元硫酸盐溶液、200g/l的氢氧化钠溶液同时通过流量计匀速进入钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器内，镍钴锰三元硫酸盐溶液流量控制在2.7m³/h，氢氧化钠溶液流量控制在0.9m³/h，取样检测钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器内合成液的ph控制在9.0～9.7。当反应结束时，同时关闭两个流量计。镍钴锰三元前驱体的合成是瞬间完成，反应时间较传统的并流合成方式要短很多，并且反应体系中没有络合剂氨的引入，生产工艺更加清洁环保。

生产过程中，镍钴锰三元溶液和氢氧化钠溶液同时通过钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器腔内部的压强差喷出，在三个腔的交汇处251相遇，瞬间固化完成反应。随着反应的进行，合成液上升，当上升至钴镍锰三元前驱体微腔连续反应器的挡板18处，合成液在搅拌器19作用下的惯性运动被打乱，使合成液中的元素分布更加均匀。继续反应，当合成液上升至出口处后流入反应釜，反应结束后再依次进行洗涤、烘干、粉碎。合成的镍钴锰三元前驱体中位粒度d50为3-5μm，比表面积为60～80m²/g。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。倘若这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。