专利名称：四氧化三钴的低温合成方法
技术领域：
本发明是有关一种合成四氧化三钴的方法，尤其有关一种四氧化三钴的低温合成方法。
背景技术：
由于可充电锂电池的优异能量密度，使得目前已经广泛用于可携式电子设备例如移动式电话及笔记型计算机的可充电能源，而锂电池的正极材料为锂钴氧化物(lithium cobalt oxides)，制造锂钴氧化物的先驱反应物即为四氧化三钴，因此市场对于四氧化三钴的需求也逐渐增加。
一般制作四氧化三钴的传统方式为以硫酸钴为起始物，氢氧化纳、碳酸氢纳(sodium hydrogen carbonate)或碳酸钠(sodium carbonate)为沉淀剂，经过滤、水洗、干燥后，以大于300℃以上的温度培烧(calcining)后即可得四氧化三钴，例如JP5506281、JP2208227、JP2311318、JP4321523、JP922692、JP08096809、JP11292548等专利。这些专利之间的不同处主要在沉淀方式的处理，如以不同沉淀剂草酸(oxalic acid)、草酸铵(ammonium oxalate)或氨水(ammonium hydroxide)等，然而最终仍需使用高温耗能的方式，氧化生成四氧化三钴。
发明内容
本发明的一主要目的在以低温氧化制程技术合成四氧化三钴。
本发明方法在将沉淀剂加入硫酸钴、氯化钴或硝酸钴的水溶液形成沉淀物后，不加予过滤即送入一高压釜或具回流装置的反应器于50～100℃的低温及一氧化剂存在下进行氧化反应，即可氧化合成四氧化三钴，然后才进行过滤、水洗、干燥。
实施方式本发明提出一种低温制备四氧化三钴的合成方法，四氧化三钴除了可用于制作锂电池的正极材料，亦可用于制作磁性材料、釉料及催化剂。
本发明的合成四氧化三钴粉体的方法，包含下列步骤a)将一水可溶的二价钴化合物与一碱金属氢氧化物、碱金属盐、氢氧化铵或铵盐于水中进行反应而形成氢氧化钴；b)将步骤a)所获得反应混合物与一氧化剂于50～100℃的温度及一回流或密闭高压的条件下进行反应，而形成四氧化三钴粉体；c)固液分离步骤b)所获得的反应混合物；及d)水洗及干燥步骤c)所获得四氧化三钴粉体。
较佳的，步骤a)包含将硫酸钴、氯化钴或硝酸钴与氢氧化钠于pH＝10～13之间进行反应。
较佳的，其中步骤b)的氧化剂为氧气、过锰酸钾、过氯酸钾或过氧化氢。
较佳的，步骤b)的氧化剂为氧气，且该氧化反应是于回流条件及90～100℃的温度下进行。
较佳的，步骤b)的氧化剂为过氯酸钾，且该氧化反应是于回流条件及90～100℃的温度下进行。
较佳的，步骤b)的氧化剂为氧气，且该氧化反应是于一高压釜(autoclave)内及90～100℃的温度下进行。
较佳的，步骤c)的固液分离采用过滤的方式。
较佳的本发明方法所制备的四氧化三钴粉体实质上为球状且平均粒径小于200nm。
依照本发明的一较佳实施例所完成的低温制造四氧化三钴的制程包含沉淀反应、氧化反应、过滤、水洗、干燥等步骤。
该沉淀反应可使用硫酸钴、氯化钴或硝酸钴为起始物，加入一沉淀剂例如氢氧化钠、碳酸氢钠或碳酸钠，在pH值为10～13之间，较佳的pH值为11～12之间进行。
该氧化反应是在一高压釜或具回流装置的反应器内，在50～100℃，较佳的在90～100℃的温度进行。使用高压釜时先将氧气或一氧化剂导入于位于该高压釜内由该沉淀反应所获得的反应混合物，再密闭高压釜进行氧化反应，该高压釜内的压力自然增压。使用具回流装置的反应器时，则可一次加入氧化剂或连续的导入氧气于位于该反应器内由该沉淀反应所获得的反应混合物。
该过滤步骤可使用真空抽滤方式进行。该水洗步骤较佳的包含使用去离子水水洗过滤所得的滤饼。该干燥步骤较佳的包含于100℃烘干水洗后的滤饼。干燥然即可得黑色松散的四氧化三钴产物。
图1为高温及低温(本发明)所得的四氧化三钴粉体的X光绕射图(XRD)。
图2为本发明方法所制得的四氧化三钴的扫描式电子显微镜影像图(SEM)。
具体实施例方式
实施例1取硫酸钴(CoSO4·7H2O，分子量281.11，MECHEMA CHEMICALSINTERNATIONAL CORP.，Taiwan)22.488g加入100ml的去离子水并搅拌溶解。另取氢氧化钠4.8g溶于100ml去离子水中。将两水溶液混合并搅拌24小时来完成沉淀反应。然后将该沉淀反应所获得的反应混合物送入一具回流装置的反应器中并以2l/min的流量通入氧气于回流下进行氧化反应，其中以油浴加热方式，维持反应温度在90～100℃，反应时间24小时。以真空过滤方式过滤该氧化反应所获得的反应混合物，以去离子水水洗滤饼，以去除其上的杂质离子。最终将水洗后的滤饼送入烘箱于100℃烘干12小时，得黑色松散的四氧化三钴产物。
图1所示为此实施例1所制得的产物之X光绕射图，其与图1中同时示出的传统高温制程所得的四氧化三钴具有相同的特性峰位置，故实施例1所制得的产物粉末为四氧化三钴。图2为实施例1所制得的产物粉末的电子扫描显微镜影像图，从其中可发现该产物粉末的颗粒呈圆球状，且大部份的颗粒的粒径小于200nm。
实施例2除了将该氧化反应所使用的的氧气改为7.353g的过氯酸钾(KClO3)外，其余均重复实施例1的步骤。
实施例3除了以高压釜取代具回流装置的反应器外，其余均重复实施例1的步骤。
实施例2及3得到与实施例1相同的四氧化三钴粉末。
权利要求
1.一种合成四氧化三钴粉体的方法，包含下列步骤a)将一水可溶的二价钴化合物与一碱金属氢氧化物、碱金属盐、氢氧化铵或铵盐于水中进行反应而形成氢氧化钴；b)将步骤a)所获得反应混合物与一氧化剂于50～100℃的温度及一回流或密闭高压的条件下进行反应，而形成四氧化三钴粉体；c)固液分离步骤b)所获得的反应混合物；及d)水洗及干燥步骤c)所获得四氧化三钴粉体。
2.如权利要求1所述的方法，其中步骤a)包含将硫酸钴、氯化钴或硝酸钴与氢氧化钠于pH＝10～13之间进行反应。
3.如权利要求1所述的方法，其中步骤b)的氧化剂为氧气、过锰酸钾、过氯酸钾或过氧化氢。
4.如权利要求3所述的方法，其中的氧化剂为氧气，且步骤b)的氧化反应是在回流条件及90～100℃的温度下进行。
5.如权利要求3所述的方法，其中的氧化剂为过氯酸钾，且步骤b)的氧化反应是在回流条件及90～100℃的温度下进行。
6.如权利要求3所述的方法，其中的氧化剂为氧气，且步骤b)的氧化反应是在一高压釜内及90～100℃的温度下进行。
7.如权利要求1所述的方法，其中步骤c)的固液分离为过滤。
8.如权利要求1至7任一项所述的方法，其中该四氧化三钴粉体为球状且平均粒径小于200nm。
全文摘要
本发明是有关一种合成四氧化三钴的方法，尤其有关一种四氧化三钴的低温合成方法。本发明方法是在将沉淀剂加入硫酸钴、氯化钴或硝酸钴的水溶液形成沉淀物后，不加予过滤即送入一高压釜或具回流装置的反应器于50～100℃的温度及一氧化剂存在下进行氧化反应，即可氧化合成四氧化三钴。
文档编号C01G51/00GK1623908SQ200310116889
公开日2005年6月8日 申请日期2003年12月2日 优先权日2003年12月2日
发明者李日琪, 林俊仁, 许哲源 申请人:财团法人工业技术研究院