一种球形镍钴锰前驱体材料的制备方法及产品与流程

本发明涉及锂离子电池材料技术领域，具体涉及一种粒径分布集中的球形镍钴锰前驱体材料的制备方法及产品。

背景技术：

近年来，新能源汽车产业发展迅速，锂离子电池以其优异的电化学特性，被认为是新能源汽车理想的储能设备之一。目前，锂离子电池材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂和磷酸铁锂等几种材料。其中，镍钴锰酸锂由于其较大的比容量、较好的储存性能以及环境友好等特点，在动力电池领域具有广阔的应用前景，进而逐渐受到新能源汽车行业的青睐。

随着锂离子电池对能量密度及循环使用寿命等性能需求的不断提高，对锂电池正极材料提出了越来越高的要求。其中，正极材料产品中存在粒度分布较宽，存在小颗粒等问题已越来越引起大家的关注，正极材料中的小颗粒会对材料的性能带来不利影响。一般认为，正极材料中的这些小颗粒主要来自于前驱体材料。因此，有必要对前驱体的合成工艺方法进行改进。

目前应用最普遍的前驱体合成工艺方法是共沉淀法，常规的共沉淀法制备前驱体的工艺一般采取连续法工艺或者间歇法工艺。连续法工艺不可避免的会使前驱体材料中存在一定数量的粒度大小在1μm以下的小颗粒，而且还会导致粒径分布较宽，致使细微粒与大颗粒的结晶性不同，一次颗粒有差别；而间歇法工艺尽管可以有效地控制小颗粒的数量，缩小粒径分布，但是工艺条件极其苛刻，调控手段极为复杂，难以实现大规模工业生产，而且在现有的间歇法工艺中粒子生长到目标粒径后就必须停止反应，这种间歇性的分批式生产影响生产效率，不能实现连续化生产，也不能保证批次之间的一致性要求，实用价值不大。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种颗粒粒径分布集中、生产效率高、适合大批量工业生产的球形镍钴锰前驱体材料的制备方法及产品。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种球形镍钴锰前驱体材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)、将镍钴锰离子混合液、络合剂溶液和沉淀剂溶液并流，以连续进出料方式加入到基体生成反应釜中进行共沉淀反应，基体生成反应釜内的反应液温度控制在40℃～60℃，反应液的ph控制在10.2～12.5，反应液中络合剂的浓度为0.2mol/l～1mol/l，在惰性气氛中进行反应，得基体浆料；

(2)、向颗粒生长反应釜中加入一定量(具体加入量根据颗粒生长反应釜的大小确定)由步骤(1)制得的基体浆料，然后将镍钴锰离子混合液、络合剂溶液和沉淀剂溶液并流，以连续进料方式加入到颗粒生长反应釜中进行共沉淀反应，颗粒生长反应釜内的反应液温度为40℃～60℃，反应液的ph为10.0～12.0，反应液中络合剂的浓度为0.2mol/l～1mol/l，在惰性气氛中进行反应，通过溢流的方式排出清液，基体生长得到含有球形镍钴锰前驱体材料的浆料。

本发明采用连续式基体生成工序和间歇式生长工序相结合的工艺方式进行共沉淀反应。通过调节基体生成反应釜中反应液溶液体系的条件，确保在连续式基体生成工序中形成稳定的具有一定粒径的基体料浆，粒径呈现正态分布；在间歇式生长工序中，颗粒生长反应釜连续稳定的接收来自连续式基体生成工序(基体生成反应釜)中的基体料浆，然后通过调节基体生长反应釜中反应液体系的条件，使得颗粒的生长速率远远大于颗粒的生成速率，维持基体颗粒的个数，实现颗粒粒径的均衡增大生长。

本发明通过控制工艺参数(如反应温度、体系ph、络合剂浓度等)，获得粒径分布集中、一次颗粒均匀、球形圆润、细粉颗粒较少的球形镍钴锰前驱体材料。这些工艺参数对镍钴锰前驱体材料的粒径分布有较大影响，其中，体系ph对粒径分布宽度有很大影响，本发明通过控制在较低的ph，大大降低了镍钴锰前驱体材料的粒径分布宽度，减小了细粉粒含量。另外，本发明将颗粒生长反应釜中反应液的ph控制为略低于基体生成反应釜内反应液的ph，保证颗粒生长反应釜中成核速率远远小于生长速率。

上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，向基体生成反应釜中加入镍钴锰离子混合液、络合剂溶液和沉淀剂溶液之前，先在基体生成反应釜中加入基体生成底液，所述基体生成底液中包含有所述络合剂和沉淀剂，基体生成底液中络合剂的浓度为0.2mol/l～1mol/l，基体生成底液的温度控制在40℃～60℃，ph为10.2～12.5。先在基体生成反应釜中加入基体生成底液有利于维持合成条件的稳定，并可起到一定的络合作用。

上述的制备方法，优选的，步骤(2)中，向颗粒生长反应釜中加入镍钴锰离子混合液、络合剂溶液和沉淀剂溶液之前，先在颗粒生长反应釜中加入经过去氧化的去离子水与基体浆料混合，形成颗粒生长底液，所述颗粒生长底液中络合剂的浓度为0.2mol/l～1mol/l，颗粒生长底液的温度控制在40℃～60℃，ph为10.0～12.0。先在颗粒生长反应釜中加入颗粒生长底液，该颗粒生长底液可以起到降低颗粒生长反应釜中体系ph的作用，可使颗粒粒径分布集中。

上述的制备方法，优选的，步骤(2)中，在进行共沉淀反应之前，颗粒生长反应釜中颗粒生长底液的初始固含量为20g/l～60g/l。颗粒生长底液的初始固含量对颗粒的粒径分布也有重要影响，若该初始固含量过低会导致产能低，若初始固含量过高又会导致颗粒粒径分布过宽；本发明控制颗粒生长底液的初始固含量在20g/l～60g/l范围内，即可以保证产能又可使颗粒的粒径分布较窄。

上述的制备方法，优选的，步骤(2)中，镍钴锰离子混合液、络合剂溶液和沉淀剂溶液的进料时间为18h～72h，进料流量根据生长时间和其他物性指标确定。

上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，所述反应液的固含量控制在50g/l～120g/l；步骤(2)中，所述反应液的固含量控制在70g/l～150g/l。过高的固含量会导致颗粒粒径分布较宽。

上述的制备方法，优选的，将步骤(2)所得含有球形镍钴锰前驱体材料的浆料陈化30min～60min，然后将物料水洗至ph为6～9后离心甩脱，将物料在100℃～150℃下烘干，得球形镍钴锰前驱体颗粒。

上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，所述镍钴锰离子混合液的进料流量为40ml/min～80ml/min，所述基体生成反应釜的转速为400r/min～500r/min，惰性气体的通入流量为10l/min～20l/min；步骤(2)中，所述镍钴锰离子混合液的进料流量为400ml/min～600ml/min，所述颗粒生长反应釜的转速为400r/min～500r/min，惰性气体的通入流量为10l/min～20l/min。

上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，所述基体浆料中颗粒的体积平均粒径为2μm～10μm，1.0≤(d90-d10)/d50≤1.6。基体浆料中颗粒的粒径对最终得到的前驱体材料的质量具有重要影响，本发明将基体浆料中的颗粒粒径控制在上述范围内可以得到粒径分布理想的前驱体材料颗粒。步骤(2)中，所述球形镍钴锰前驱体材料的体积平均粒径为3.5μm～18μm，(d90-d10)/d50≤0.8。

上述的制备方法，优选的，所述镍钴锰离子混合液中，镍离子、钴离子和锰离子的摩尔比为(2.5～3.5)∶(0.8～1.2)∶1；所述络合剂溶液为质量分数10％～30％的氨水溶液，所述沉淀剂溶液为质量分数20％～40％的氢氧化钠溶液。

上述的制备方法，优选的，所述颗粒生长反应釜为多个，多个颗粒生长反应釜并联设置，基体生成反应釜中得到的基体浆料依次通入多个颗粒生长反应釜中。将多个颗粒生长反应釜并联设置，当一个颗粒生长反应釜停止作业后可以向下一个颗粒生长反应釜中进料，再进行颗粒的生长，多个颗粒生长反应釜依次进行下去，可实现连续化颗粒生长作业，大大提高生产效率。所述基体生成反应釜与颗粒生长反应釜的体积之比为1∶(1～10)，两个反应釜的体积比会影响到产能和生长时间，本发明优选采用上述体积比的反应釜可以提高产能和生产效率。

作为一个总的技术构思，本发明另一方面提供了一种球形镍钴锰前驱体材料，所述球形镍钴锰前驱体材料由上述的制备方法制备得到，该球形镍钴锰前驱体材料的化学分子式为ni(1-x-y)coxmny(oh)2，其中0.1≤x≤0.9，0.01≤y≤0.9，球形镍钴锰前驱体材料的振实密度为1.8g/cm³～2.2g/cm³，球形镍钴锰前驱体材料的体积平均粒径为3.5μm～18μm，(d90-d10)/d50≤0.8。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用连续式基体生成工序和间歇式生长工序相结合的工艺方式进行共沉淀反应；通过调节基体生成反应釜中反应液溶液体系的条件，确保在连续式基体生成工序中形成稳定的具有一定粒径的基体料浆，粒径呈现正态分布；在间歇式生长工序中，颗粒生长反应釜连续稳定的接收来自连续式基体生成工序中的基体料浆，然后通过调节基体生长反应釜中反应液体系的条件，使得颗粒的生长速率远远大于颗粒的生成速率，维持基体颗粒的个数，实现颗粒粒径的均衡增大生长。本发明的球形镍钴锰前驱体材料的制备方法工艺新颖，通过控制各工艺参数，既降低了产品中的细粉含量，又保证了产能，提高了生产效率，并且可以实现连续化生产。通过本发明的方法制备得到的球形镍钴锰前驱体材料粒径分布集中且窄化，一次颗粒均匀，球形圆润，细粉颗粒较少，可用于电动汽车动力电池领域，能提高电池的比容量、循环性能和安全性能。

附图说明

图1为本发明实施例1制备得到的球形镍钴锰前驱体材料的扫描电镜图(sem)。

图2为本发明实施例1制备得到的球形镍钴锰前驱体材料的粒径分布示意图。

图3为本发明实施例2制备得到的球形镍钴锰前驱体材料的扫描电镜图。

图4为本发明实施例2制备得到的球形镍钴锰前驱体材料的粒径分布示意图。

图5为对比例1制备得到的镍钴锰前驱体材料的扫描电镜图。

图6为对比例1制备得到的镍钴锰前驱体材料的粒径分布示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

本发明球形镍钴锰前驱体材料的制备方法及产品的一种实施例。该球形镍钴锰前驱体材料的制备方法包括连续式基体生成工序和间歇式颗粒生长工序，其具体的制备步骤如下：

(1)连续式基体生成工序

将硫酸镍、硫酸钴和硫酸锰晶体混合配制成总金属离子摩尔浓度为3mol/l的镍钴锰离子混合溶液，其中ni、co、mn三种金属离子的摩尔比为3∶1∶1；

采用体积为100l的基体生成反应釜作为连续式基体生成工序的反应容器，先在基体生成反应釜中加入基体生成底液，该基体生成底液由纯水、质量分数20％的氨水(络合剂)溶液和质量分数30％的氢氧化钠(沉淀剂)溶液配制形成，基体生成底液的ph为11.6，其中氨水的浓度为0.4mol/l，基体生成底液的温度为50℃，向基体生成反应釜内通入氮气作为保护气氛，控制氮气流量在10l/min～20l/min；

将配制好的镍钴锰离子混合溶液、20％氨水和30％氢氧化钠分别通过计量泵并流加入到盛有基体生成底液的基体生成反应釜中，控制镍钴锰离子混合溶液的进料流量为60ml/min，基体生成反应釜中搅拌装置的转速为450r/min，进行连续式共沉淀反应，溢流排掉上清液，将反应物料的固含量控制在50g/l～80g/l，ph控制在11.60～11.80之间，反应液温度为50℃，得到基体浆料。该基体浆料中颗粒的粒径在1.8μm～2.3μm之间，其1.1≤(d90-d10)/d50≤1.6。

(2)间歇式颗粒生长工序

将多个体积为1000l的反应釜并联，作为间歇式颗粒生长工序的反应容器(颗粒生长反应釜)，其中一个颗粒生长反应釜连续接收基体生成反应釜中得到的基体浆料，接受物料的时长为48h，溢流排掉上清液，控制初始固含量在40g/l～60g/l；

再向颗粒生长反应釜中添加经过去氧化的去离子水、20％氨水和30％氢氧化钠与反应釜中的基体浆料一起构成颗粒生长底液。该颗粒生长底液的ph为11.4，其中氨水的浓度为0.4mol/l，温度为50℃，氮气流量控制在10l/min～20l/min；

将配制好的镍钴锰离子混合溶液、20％氨水和30％氢氧化钠分别通过计量泵并流加入到颗粒生长反应釜中，控制镍钴锰离子混合溶液的进料流量为500ml/min，颗粒生长反应釜中搅拌装置的转速为400r/min，进行间歇式共沉淀反应，反应液的ph控制在11.40～11.45之间，温度为50℃，氨水的浓度为0.4mol/l，间歇式共沉淀反应中通过溢流方式排出上清液，控制间歇式进料时长在20h～24h之间，反应液的固含量控制在80g/l～150g/l，得到含有球形镍钴锰前驱体材料的浆料；一个颗粒生长反应釜停止反应后再向并联设置的另一个颗粒生长反应釜中输送基体浆料，重复上述间歇式颗粒生长工序，实现连续化颗粒生长；

将多个颗粒生长反应釜得到的含有球形镍钴锰前驱体材料的料浆进行合并，并进行离心过滤，所得固体物料用5wt％的碱液在55℃～65℃下陈化反应30min～60min，之后对所得物料进行水洗至ph＝6～9后再离心甩脱，将甩脱物料在100℃～150℃下烘干，得到干燥的球形镍钴锰前驱体材料颗粒。

该镍钴锰前驱体材料的化学分子式为ni0.6co0.2mn0.2(oh)2，即该化学分子式中ni、co、mn和(oh)的摩尔比为0.6∶0.2∶0.2∶2；该镍钴锰前驱体材料颗粒的扫面电镜图如图1所示，由图1可见，其粒径为4.0μm左右，该镍钴锰前驱体材料呈球形颗粒且一次颗粒均匀。该镍钴锰前驱体材料颗粒的粒径分布如图2所示，由图2可见，其(d90-d10)/d50＝0.68，该镍钴锰前驱体材料粒径分布呈正态分布且窄化，细粉颗粒较少。根据gb-5162进行测试，该镍钴锰前驱体材料的振实密度为2.03g/cm³，比表面积为4.8m²/g。

实施例2：

本发明球形镍钴锰前驱体材料的制备方法及产品的一种实施例。该球形镍钴锰前驱体材料的制备方法包括连续式基体生成工序和间歇式颗粒生长工序，其具体的制备步骤如下：

(1)连续式基体生成工序

将硫酸镍、硫酸钴和硫酸锰晶体混合配制成总金属离子摩尔浓度为3mol/l的镍钴锰离子混合溶液，其中ni、co、mn三种金属离子的摩尔比为3∶1∶1；

采用体积为100l的基体生成反应釜作为连续式基体生成工序的反应容器，先在基体生成反应釜中加入基体生成底液，该基体生成底液由纯水、质量分数20％的氨水(络合剂)溶液和质量分数30％的氢氧化钠(沉淀剂)溶液配制形成，基体生成底液的ph为11.2，其中氨水的浓度为0.6mol/l，基体生成底液的温度为50℃，向基体生成反应釜内通入氮气作为保护气氛，控制氮气流量在10l/min～20l/min；

将配制好的镍钴锰离子混合溶液、20％氨水和30％氢氧化钠分别通过计量泵并流加入到盛有基体生成底液的基体生成反应釜中，控制镍钴锰离子混合溶液的进料流量为60ml/min，基体生成反应釜中搅拌装置的转速为450r/min，进行连续式共沉淀反应，将反应物料的固含量控制在50g/l～80g/l，ph控制在11.20～11.40之间，反应液温度为50℃，得到基体浆料。该基体浆料中颗粒的粒径在6μm～7μm之间，其1.1≤(d90-d10)/d50≤1.6。

(2)间歇式颗粒生长工序

将多个体积为1000l的反应釜并联，作为间歇式颗粒生长工序的反应容器，其中一个颗粒生长反应釜连续接收基体生成反应釜中得到的基体浆料，接受物料的时长为24h，控制初始固含量在20g/l～40g/l；

再向颗粒生长反应釜中添加经过去氧化的去离子水、20％氨水和30％氢氧化钠与反应釜中的基体浆料一起构成颗粒生长底液。该颗粒生长底液的ph为11.0，其中氨水的浓度为0.6mol/l，温度为50℃，氮气流量控制在10l/min～20l/min；

将配制好的镍钴锰离子混合溶液、20％氨水和30％氢氧化钠分别通过计量泵并流加入到颗粒生长反应釜中，控制镍钴锰离子混合溶液的进料流量为500ml/min，颗粒生长反应釜中搅拌装置的转速为400r/min，进行间歇式共沉淀反应，反应液的ph控制在11.00～11.10之间，温度为50℃，氨水的浓度为0.6mol/l，间歇式共沉淀反应中通过溢流方式排出上清液，控制间歇式进料时长在20h～24h之间，反应液的固含量控制在70g/l～100g/l，得到含有球形镍钴锰前驱体材料的浆料；一个颗粒生长反应釜停止反应后再向并联设置的另一个颗粒生长反应釜中输送基体浆料，重复上述间歇式颗粒生长工序，实现连续化颗粒生长；

将多个颗粒生长反应釜得到的含有球形镍钴锰前驱体材料的料浆进行合并，并进行离心过滤，所得固体物料用5wt％的碱液在55℃～65℃下陈化反应30min～60min，之后对所得物料进行水洗至ph＝6～9后再离心甩脱，将甩脱物料在100℃～150℃下烘干，得到干燥的球形镍钴锰前驱体材料颗粒。

该镍钴锰前驱体材料的化学分子式为ni0.6co0.2mn0.2(oh)2，即该化学分子式中ni、co、mn和(oh)的摩尔比为0.6∶0.2∶0.2∶2；该镍钴锰前驱体材料颗粒的扫面电镜图如图3所示，由图3可见，其粒径为10.8μm左右，该镍钴锰前驱体材料呈球形颗粒且一次颗粒均匀。该镍钴锰前驱体材料颗粒的粒径分布如图4所示，由图4可见，其(d90-d10)/d50＝0.68，该镍钴锰前驱体材料粒径分布呈正态分布且窄化，细粉颗粒较少。根据gb-5162进行测试，该镍钴锰前驱体材料的振实密度为2.20g/cm³，比表面积为3.11m²/g。

对比例1：

一种现有的镍钴锰前驱体材料的连续式生产工艺，其主要包括以下步骤：

将硫酸镍、硫酸钴和硫酸锰晶体混合配制成摩尔浓度为3mol/l的镍钴锰离子混合溶液，该镍钴锰离子混合溶液中ni、co、mn三种金属离子的摩尔比为3∶1∶1；

采用体积为100l的反应釜，在该反应釜中加入底液，该底液由纯水、20％氨水和30％氢氧化钠组成，底液的ph为11.40，氨水的浓度为0.6mol/l，底液的温度为50℃，通入氮气作为保护气氛，并控制氮气的流量为10l/min～20l/min；

将配制好的镍钴锰离子混合溶液、20％氨水和30％氢氧化钠分别通过计量泵并流加入到反应釜中，控制镍钴锰离子混合溶液的流量为60ml/min，反应釜中搅拌装置的转速为450r/min，进行连续式共沉淀反应，反应物料的含固量控制在50g/l～80g/l，ph控制在11.40～11.50之间，得到含有镍钴锰前驱体材料的浆料。

对上述步骤产生的料浆进行离心过滤，所得固体物料经5wt％的碱液在55℃～65℃下陈化反应30min～60min，之后对所得物料进行水洗至ph＝6～9后再离心甩脱，将甩脱物料在100℃～150℃下烘干，得干燥的镍钴锰前驱体材料颗粒。

该镍钴锰前驱体材料的扫描电镜图如图5所示，由图5可见，该镍钴锰前驱体材料球形度较差，为类球形，一次颗粒大小不均匀，粒径在3.5μm左右。该类球形镍钴锰前驱体材料的粒径分布如图6所示，由图6可见，该镍钴锰前驱体材料的(d90-d10)/d50＝1.58，粒径分布较差，细粉颗粒较多。经测试，类球形镍钴锰前驱体材料颗粒的振实密度为1.59g/cm³，比表面积为8.2m²/g。该镍钴锰前驱体材料的化学分子式为ni0.6co0.2mn0.2(oh)2，即该化学分子式中ni、co、mn和(oh)的摩尔比为0.6∶0.2∶0.2∶2。

对比实施例1、实施例2和对比例1可见，采用本发明的方法制备得到的球形镍钴锰前驱体材料的球形度更好，粒径分布更集中，细粉颗粒更少。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。