[發明專利]一種鋰離子電池三元前驅體及其制備方法、制備裝置

有效

• 申請號: 202210120568.1
• 申請日: 2022-02-09
• 公開（公告）號: CN114149033B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 謝明輝;楊超;鄒晨;程景才;張偉鵬;王炳信;吳亮;孟繩續;荊萬倉;蘇楊;黃志堅;周國忠
• 申請（專利權）人: 浙江長城攪拌設備股份有限公司;中國科學院過程工程研究所
• 主分類號: H01M4/525
• 分類號: H01M4/525;C01G53/00;H01M4/505;H01M10/0525
• 代理公司: 寧波甬恒專利代理事務所(普通合伙) 33270
• 代理人: 鄭哲

1.一種鋰離子電池三元前驅體的制備方法，其特征在于，包括步驟：

S1配置鎳鈷錳金屬鹽溶液濃度為1.0~3.0 mol/L，氨水濃度為6.0~12mol/L，氫氧化鈉溶液濃度為4.0~10mol/L；

S2向反應釜內加水，通入保護性氣體，將配置的鎳鈷錳金屬鹽溶液、沉淀劑溶液以及絡合劑溶液分別加入到反應釜中，開啟攪拌，通過監測扭矩、電機電流、轉速及液位，獲得攪拌的消耗功率和混合時間，并通過反應釜尺寸、攪拌槳型及葉片尺寸，獲得能量耗散循環函數EDCF，用于表征反應釜內的剪切作用大小，EDCF = (P/kD³ )/tm，k=π/4/(W/D)，P是功率消耗，W是葉片寬度，D是攪拌槳葉直徑，t_m是混合時間，其中，功率P=2πNT_q，N是攪拌轉速，T_q是攪拌的扭矩，其中，所述混合時間t_m=5.2N_p^-1/3(D/T)^-2(H_z/T) ^α/N，N_p為槳葉的功率準數，T是罐體直徑，H_z是液位高度，通過測扭矩獲得功率消耗P，同時P=ρN_p N³D⁵，ρ是物料密度，指數α通過電導率法或pH值法獲得混合時間進行計算獲得；

S3控制反應溫度為40~70℃，pH值10.5~12.5，氨濃度2.0~12g/L，控制能量耗散循環函數

EDCF為0.05~65kW/(m³·s)，直至結晶顆粒達標停止反應，制得大顆粒三元前驅體漿料或小顆粒三元前驅體漿料；

當制備大顆粒三元前驅體漿料時，所述步驟S3包括步驟：

S311控制反應溫度為40~70℃，pH值10.5~12.5，氨濃度2.0~12g/L，控制能量耗散循環函

數EDCF為30~45kW/(m³·s)；

S312當料液達到溢流口后溢流進入提濃器進行提濃，濃縮后的濃漿通過回流口返回至反應

釜繼續反應，母液則排出釜外；

S313當結晶顆粒固體含量達到100~400g/L時，控制能量耗散循環函數EDCF為

10~30kW/(m³·s)，當結晶顆粒固體含量達到300~600g/L時，控制能量耗散循環函數EDCF為1.0~10kW/(m³·s)，當結晶顆粒固體含量達到500~1000g/L時，控制能量耗散循環函數EDCF為0.05~0.5kW/(m³·s)；

S314繼續控制好反應過程中的pH值、氨濃度和溫度，當顆粒D50粒徑達到10.0~16.0μm

時停止反應，制得大顆粒三元前驅體漿料；

或當制備小顆粒三元前驅體漿料時，所述步驟S3包括步驟：

S321控制反應溫度為40~70℃，pH值10.5~12.5，氨濃度2.0~12g/L，控制能量耗散循環函數EDCF為45~65kW/(m³·s)；

S322當料液達到溢流口后溢流進入提濃器進行提濃，濃縮后的濃漿通過回流口返回至反應

釜繼續反應，母液則排出釜外；

S323當結晶顆粒固體含量達到100~400g/L時，控制能量耗散循環函數EDCF為40~55kW/(m³·s)，當結晶顆粒固體含量達到300~600g/L時，控制能量耗散循環函數EDCF為25~40kW/(m³·s)，當結晶顆粒固體含量達到500~1000g/L時，控制能量耗散循環函數EDCF為15~35kW/(m³·s)；

S324繼續控制好反應過程中的pH值、氨濃度和溫度，當顆粒D50粒徑達到3.0~6.0μm時停止反應，制得小顆粒三元前驅體漿料；

S4將三元前驅體漿料經固液分離、洗滌、烘干、篩分，制得鋰離子電池正極材料的三元前驅體，其中，制備所述鋰離子電池三元前驅體的制備裝置包括：

反應釜體，所述反應釜體設有進液口和內腔，所述進液口連通所述內腔和外界，所述進液口設置于所述反應釜體的上部；

攪拌傳動系統，所述攪拌傳動系統包括電機、減速機以及攪拌機構，所述減速機可驅動地連接所述電機和所述攪拌機構，所述攪拌機構安裝于所述反應釜體的內腔中，所述攪拌機構包括攪拌軸以及至少一渦輪槳，所述攪拌軸可轉動地連接所述減速機和所述渦輪槳，所述渦輪槳包括多個葉片以及圓盤，所述圓盤連接于所述攪拌軸，所述葉片傾斜地從所述圓盤的周側向外弧形延伸，所述葉片的傾斜角度為30~80°，其中，所述葉片包括主葉和副葉，所述主葉的一端固接于所述圓盤，所述副葉從所述主葉的另一端沿弧形曲面的方向一體向外延伸，其中，所述副葉為正弦曲線，y=Asinωx，振幅A為葉片寬度的0.1~1.0倍，周期T=2π/ω，周期范圍為1~3，所述副葉的長度占到所述葉片總長度的10%~50%，其中，各個所述渦輪槳進一步包括輪轂和多個連接板，所述輪轂位于所述圓盤的中間，所述輪轂固接于所述攪拌軸，所述連接板沿所述圓盤的外周均勻分布，使得所述主葉傾斜地固接于所述連接板，其中，所述葉片的長度占到所述渦輪槳直徑的10%~40%，所述渦輪槳直徑和所述反應釜體直徑之比為0.3~0.6:1，所述反應釜體內至少設有兩層所述渦輪槳，各個所述渦輪槳的葉片數量為4~8個，所述渦輪槳之間的層間距和所述渦輪槳直徑之比為0.6~1.5:1；

提濃器、扭矩傳感器以及測速儀，所述扭矩傳感器和所述測速儀分別連接所述攪拌軸，所述反應釜體進一步設有第一進液口、第二進液口、第三進液口、溢流口以及回流口，所述第一進液口和所述第二進液口錯開地設置于所述反應釜體的上部，第一進液口和第三進液口同側設置，所述第一進液口用于導入氨水，所述第三進液口用于導入鎳鈷錳金屬鹽溶液，所述第二進液口用于導入堿液，所述第一進液口和所述第二進液口的錯開角度為90°~180°，所述溢流口和所述回流口間隔地位于所述反應釜體的側部，所述溢流口高于所述回流口，所述提濃器的分別連通所述溢流口和所述回流口，其中，所述溢流口位于0.80~0.85倍所述反應釜體直段高度的位置。

2.一種用于權利要求1所述的鋰離子電池三元前驅體的制備方法的制備裝置，其特征在

于，包括：

反應釜體，所述反應釜體設有進液口和內腔，所述進液口連通所述內腔和外界，所述進液口設置于所述反應釜體的上部；

攪拌傳動系統，所述攪拌傳動系統包括電機、減速機以及攪拌機構，所述減速機可驅動地連接所述電機和所述攪拌機構，所述攪拌機構安裝于所述反應釜體的內腔中，所述攪拌機構包括攪拌軸以及至少一渦輪槳，所述攪拌軸可轉動地連接所述減速機和所述渦輪槳，所述渦輪槳包括多個葉片以及圓盤，所述圓盤連接于所述攪拌軸，所述葉片傾斜地從所述圓盤的周側向外弧形延伸，所述葉片的傾斜角度為30~80°，其中，所述葉片包括主葉和副葉，所述主葉的一端固接于所述圓盤，所述副葉從所述主葉的另一端沿弧形曲面的方向一體向外延伸，其中，所述副葉為正弦曲線，y=Asinωx，振幅A為葉片寬度的0.1~1.0倍，周期T=2π/ω，周期范圍為1~3，所述副葉的長度占到所述葉片總長度的10%~50%，其中，各個所述渦輪槳進一步包括輪轂和多個連接板，所述輪轂位于所述圓盤的中間，所述輪轂固接于所述攪拌軸，所述連接板沿所述圓盤的外周均勻分布，使得所述主葉傾斜地固接于所述連接板，其中，所述葉片的長度占到所述渦輪槳直徑的10%~40%，所述渦輪槳直徑和所述反應釜體直徑之比為0.3~0.6:1，所述反應釜體內至少設有兩層所述渦輪槳，各個所述渦輪槳的葉片數量為4~8個，所述渦輪槳之間的層間距和所述渦輪槳直徑之比為0.6~1.5:1；

提濃器、扭矩傳感器以及測速儀，所述扭矩傳感器和所述測速儀分別連接所述攪拌軸，所述反應釜體進一步設有第一進液口、第二進液口、第三進液口、溢流口以及回流口，所述第一進液口和所述第二進液口錯開地設置于所述反應釜體的上部，第一進液口和第三進液口同側設置，所述第一進液口用于導入氨水，所述第三進液口用于導入鎳鈷錳金屬鹽溶液，所述第二進液口用于導入堿液，所述第一進液口和所述第二進液口的錯開角度為90°~180°，所述溢流口和所述回流口間隔地位于所述反應釜體的側部，所述溢流口高于所述回流口，所述提濃器的分別連通所述溢流口和所述回流口，其中，所述溢流口位于0.80~0.85倍所述反應釜體直段高度的位置。