浓缩分级设备及镍钴锰三元前驱体材料合成方法与流程

本发明涉及三元前驱体领域，具体涉及一种浓缩分级设备及镍钴锰三元前驱体材料合成方法。

背景技术：

随着锂离子二次电池特别是汽车动力电池的发展，对三元正极材料各方面性能提出了新的要求。与此同时，对三元正极材料前驱体的均相合成、粒度分布及形貌控制、组份偏析及杂质控制等也提出了新的要求。现有的合成方式普遍存在微粉、小颗粒较多，粒度分布不均匀的问题，导致最终获得的三元前驱体成品质量不佳。

技术实现要素：

为解决现有技术的三元前驱体合成方式存在微粉、小颗粒较多，粒度分布不均匀的问题的技术问题，本发明提供一种解决上述问题的浓缩分级设备及镍钴锰三元前驱体材料合成方法。

一种浓缩分级设备，包括动力机构和设于所述动力机构的处理箱，所述处理箱内设有转鼓与所述动力机构连接，所述转鼓为锥形，锥形的底面水平、尖端朝向竖直上方；所述动力机构的主轴于所述转鼓底面圆心处、竖直向上贯穿至所述转鼓内，进料口于所述转鼓尖端处、竖直向下贯穿至所述转鼓内，出料口于贴近所述转鼓内底面处、水平贯穿至所述主轴内，并于所述主轴内沿其轴向贯穿至外部；所述转鼓内底面设有弧形的桨叶，其一端设于所述出料口侧面、另一端向靠近所述出料口的方向延伸至所述转鼓边缘。

在本发明提供的浓缩分级设备的一种较佳实施例中，所述转鼓的侧壁与底面之间呈60°夹角；所述转鼓内的底面圆心处设有连接环，所述主轴贯穿所述连接环至所述转鼓内，且与所述连接环的内壁固定连接，所述出料口贯穿所述连接环至所述主轴内，所述桨叶设于所述出料口侧面的一端连接所述连接环的外壁。

在本发明提供的浓缩分级设备的一种较佳实施例中，所述进料口靠所述转鼓内的一端设有锥形的布料盘，所述布料盘与所述进料口之间保持间隙，以底面水平、尖端朝向竖直上方的角度设置，与所述进料口、所述转鼓同轴，侧壁与底面之间的夹角大于所述转鼓。

在本发明提供的浓缩分级设备的一种较佳实施例中，包括三个所述出料口，三者于贴近所述转鼓内底面的位置、以平行于底面的角度、等夹角的贯穿至所述主轴内，汇集为沿所述主轴的轴向延伸的出料通道；所述出料口为弧形，弯折方向与所述桨叶相同。

在本发明提供的浓缩分级设备的一种较佳实施例中，包括三个所述桨叶，一一对应的设于每一所述出料口的同一侧；所述桨叶靠近所述出料口的一端高度大于所述出料口，向所述转鼓边缘延伸过程中高度逐步降低至一半，且末端高度依旧大于所述出料口。以从所述转鼓的尖端至底面的视角，所述进料口均朝逆时针方向弯折，所述桨叶设于所述进料口靠顺时针方向一侧，且朝逆时针方向弯折。所述桨叶靠所述转鼓边缘的一端的切入角为3°~10°，靠所述出料口的一端的出口角为80°~90°，中间一段的扩散角为5°~6°。

一种镍钴锰三元前驱体材料合成方法，包括以下步骤：

步骤一，提供合成釜、所述浓缩分级设备，以及硫酸镍溶液、硫酸钴溶液、硫酸锰溶液、氢氧化钠溶液、氨水；

步骤二，将镍钴锰混合溶液、氨水、氢氧化钠溶液以一定流速进所述合成釜，控制温度45~70℃、ph=8~12、游离氨浓度1~15g/l、搅拌速度50~600转/分，生成含镍、钴、锰的氢氧化物；

步骤三，将所述合成釜中形成的不定型的絮状沉淀物抽出、加入至所述浓缩分级设备，通过所述浓缩分级设备分离出浓缩浆料和母液，其中浓缩浆料再次加入至所述合成釜中；

步骤四：重复所述步骤二、所述步骤三，直至获得成型浆料。

所述步骤三中，通过控制所述浓缩分级设备中所述转鼓的转速，即可控制不同粒度的颗粒在所述转鼓内的分布；再通过控制出料的时间，即可控制分离出的浓缩浆料的含固量和粒度分布。

获得成型浆料后，对其进行过滤获得母液和镍钴锰前驱体湿料；对镍钴锰前驱体湿料进行洗涤、烘干，获得成品。

相较于现有技术，采用本发明提供的所述浓缩分级设备和所述镍钴锰三元前驱体材料合成方法制得的三元前驱体材料，微粉得到了充分清除，粒度呈正态分布，产品质量高。

附图说明

图1是本发明提供的浓缩分级设备的剖视图；

图2是图1中转鼓底部位置的局部放大图；

图3是本发明提供的浓缩分级设备中转鼓底部位置的俯视图；

图4是本发明提供的镍钴锰三元前驱体材料合成方法的流程图；

图5是现有技术制得的三元前驱体材料的粒度分布图；

图6是现有技术制得的三元前驱体材料的扫描电镜图；

图7是采用本发明提供的浓缩分级设备和镍钴锰三元前驱体材料合成方法制得的三元前驱体材料的粒度分布图；

图8是采用本发明提供的浓缩分级设备和镍钴锰三元前驱体材料合成方法制得的三元前驱体材料的扫描电镜图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

请同时参阅图1~图3，分别是本发明提供的浓缩分级设备1的剖视图和局部放大图，以及其中转鼓4底部位置的俯视图。

所述浓缩分级设备1包括动力机构2、处理箱3、转鼓4。所述动力机构2包括台架22、设于所述台架并通过皮带连接的电机23和传动机构24，所述传动机构的动力输出的主轴21于其顶部朝向竖直上方。在所述主轴21周围、所述台架22的顶部固定的设有所述处理箱3，其内设有转鼓4与所述主轴21连接，二者同步转动。

所述转鼓4为锥形的结构，以底面水平、尖端朝向竖直上方的角度设置，侧壁与底面之间呈60°夹角。所述转鼓4的底面中心位置设有向内凸起的圆台形的连接环41，所述主轴21沿所述连接环41的轴向、所述转鼓4的高的方向，贯穿至所述转鼓4内。

进料管42于所述转鼓4的顶部尖端处竖直向下的贯穿至所述转鼓4内，边缘与所述转鼓4之间设有油封。所述进料管42的底部末端处还连接有一个布料盘43，所述布料盘43也为底面水平、尖端朝向竖直上方的锥形结构，与所述进料管42、所述转鼓4同轴，与所述进料管42之间保持间隙。

物料经由所述进料管42进入所述转鼓4时，会先与所述布料盘43接触，被其挡开、四散至所述转鼓4的侧壁，避免直接落至下方。进一步的，还可以在所述进料管42的底部末端处设置层流器。

出料管44在所述转鼓4内，以平行于所述转鼓4底面的角度、贴着所述转鼓4的底面，贯穿所述连接环41的外壁，至所述主轴21的内部。三根所述出料管44以相互120°的夹角于不同方向贯穿至所述主轴21内，并在所述主轴21内汇集为沿其轴向延伸至外部的出料通道。所述出料管44为弧形管，从俯视的角度看，所述出料管44的中部均向顺时针方向凸起，或者说末端向逆时针方向弯折。

所述转鼓4内底面设有三片弧形的桨叶45，其长度方向的一端连接于所述连接环41、所述出料管44靠顺时针方向的一侧，另一端侧向逆时针方向呈弧形的延伸至所述转鼓4的边缘。所述桨叶45是竖直设置的，其宽度、或者说高度从靠近所述出料管44的一端起逐步降低，至所述转鼓4的边缘处时为原先的一半，且这一半的高度依旧略高于所述出料管44设置位置的高度。所述转鼓4转动过程中，所述桨叶45靠所述转鼓边缘的一端切入角为3°~10°，靠所述出料口一端出口角为80°~90°，中间一段的扩散角为5°~6°。

请参阅图4，是本发明提供的镍钴锰三元前驱体材料合成方法的流程图。所述镍钴锰三元前驱体材料合成方法包括以下步骤：

步骤一：提供所述浓缩分级设备1，具备加热、搅拌功能的合成釜，以及镍、钴、锰的摩尔比例8:1:1的硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰混合溶液，浓度6mol/l的氢氧化钠溶液，浓度10mol/l的氨水。

步骤二：向所述合成釜内充氮气保护，并加入水、氢氧化钠溶液、氨水，形成温度55℃、ph=11、游离氨浓度3g/l的底液，再逐步加入混合溶液，并保持50~600转/分的搅拌速度。

步骤三：在合成过程，颗粒与颗粒之间、颗粒与合成釜的搅拌与釜体内壁之间相互碰撞、摩擦，逐步形成球体。但颗粒的粒度部分不均匀，除成型球体外，还包括大量不定型的小颗粒、微粉。因此在合成初期，在所述合成釜中形成不定型的絮状沉淀物、含固量大概在140~160g/l的时候，抽取底部的不定型絮状沉淀物至所述浓缩分级设备1内，所述浓缩分级设备1以1500转/分的转速运行。

步骤四：不定型絮状沉淀物由所述进料管42进入所述转鼓4，被所述布料盘43挡开、四散至所述转鼓4的侧壁。在所述转鼓4转动产生的离心力作用下，不同粒度的颗粒受力不同，从而实现了沿着所述转鼓4的侧壁由下至上粒度逐步降低的分布。

其中最底部的颗粒为成型的球形大颗粒，在所述桨叶45的作用下，逐步收拢并于所述出料管44、所述出料通道排出，再次回到所述合成釜。在出料一段时间后，断开所述浓缩分级设备1与所述合成釜之间的管道，将剩余的母液及微粉排出另行处理。

步骤五：与此同时，所述合成釜中还不断的加入混合溶液，不断的形成新的沉淀。这些沉淀部分以回到所述合成釜中的成型的球形大颗粒为基础沉积，部分形成新的小颗粒并不断长大。

步骤六：重复抽取所述合成釜底部新形成的沉淀至所述浓缩分级设备1内，所述浓缩分级设备1降低至1200转/分的转速运行。沉淀再次分层，并将其中成型的大颗粒输送回到所述合成釜。

步骤七：视情况再次抽取所述合成釜底部新形成的沉淀至所述浓缩分级设备1内，并调整所述浓缩分级设备1的转速，直至含固量提高到800~1000g/l。此时所述合成釜中只剩下成型的大颗粒和成型的小颗粒，不成型的小颗粒和不成型的微粉随分离出的母液排出。最后按常规方式过滤分离出三元前驱体湿料，洗涤烘干获得成品。

请同时参阅图5~图8，分别是现有技术制得的三元前驱体材料的粒度分布图、扫描电镜图，以及采用本本发明提供的所述浓缩分级设备1和所述镍钴锰三元前驱体材料合成方法制得的三元前驱体材料的粒度分布图、扫描电镜图。

显然，现有技术制得的三元前驱体材料中，微粉也一同过滤分离进入产品中，影响产品质量。而采用本发明提供的所述浓缩分级设备1和所述镍钴锰三元前驱体材料合成方法制得的三元前驱体材料，微粉得到了充分清除，粒度呈正态分布，产品质量高。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。