過濾濃縮機在鋰電正極材料前驅(qū)體合成中的應(yīng)用

張朋立* 宋順林 劉亞飛 陳彥彬

（礦冶科技集團有限公司 北京當(dāng)升材料科技股份有限公司）

0 前言

鋰離子電池具有容量大、成本低、壽命長等特點，被廣泛應(yīng)用在手機、電腦、電動工具、電動汽車儲能等行業(yè)。近年來，隨著技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，國內(nèi)的鋰電池正極材料的產(chǎn)能和產(chǎn)銷量都表現(xiàn)出快速增長趨勢，但與國際一流企業(yè)相比，在材料的性能方面還有較大差距，主要是生產(chǎn)工藝和裝備水平差距較大[1]，存在一些亟待解決的難題。

鋰電正極材料前驅(qū)體是一種技術(shù)難度較高的中間體，也是鋰電正極材料的的原料，對正極材料的元素比例、粒徑、密度、雜質(zhì)量、結(jié)晶程度等性能有傳承性的影響，很大程度上影響了多元材料的性能[2]。鋰電正極材料前驅(qū)體生產(chǎn)過程中最關(guān)鍵工序是合成，pH、氨堿濃度、攪拌強度、合成溫度等工藝參數(shù)[3-4]對前驅(qū)體的品質(zhì)有著決定性的影響，因此對鋰電正極材料前驅(qū)體合成進(jìn)行研究，對于提高多元材料前驅(qū)體的品質(zhì)，提高鋰電正極材料的性能有重要意義。過濾濃縮機能夠增加鋰電材料前驅(qū)體合成過程中反應(yīng)釜的固含量。本文結(jié)合其工業(yè)化生產(chǎn)情況，對過濾濃縮機在鋰電正極材料前驅(qū)體合成中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，可為鋰電正極材料前驅(qū)體的的研究提供借鑒。

1 過濾濃縮機簡介

過濾濃縮機是在一個密閉容器中懸掛了一定過濾面積的微孔過濾管的裝置，其工作原理為：將反應(yīng)過程中的漿料通過泵打入過濾濃縮機內(nèi)，在壓力作用下，漿料中的清液通過過濾管排出，濃縮后的漿料再返回到反應(yīng)釜內(nèi)。這個過程中有清液排出，反應(yīng)釜內(nèi)固體顆粒含量（固含量）增大，顆粒之間的碰撞摩擦加劇，有利于改善顆粒的球形度、致密度和表面的光滑度[5-6]，同時，也延長了物料在反應(yīng)釜內(nèi)的停留時間，有利于改善前驅(qū)體的結(jié)晶，提高生產(chǎn)效率和收率等[7-9]，但反應(yīng)釜介質(zhì)內(nèi)固含量太高時容易造成管道堵塞、顆粒開裂等問題，因此，在使用過濾濃密機時要結(jié)合物料的特點來選擇合成工藝參數(shù)和適宜的固含量。

在工業(yè)化應(yīng)用中，為了防止?jié){料在濃縮機內(nèi)沉降，還需要增加攪拌或物料循環(huán)裝置。為了防止微孔過濾管堵塞，需要定時對過濾管進(jìn)行反吹和反洗，經(jīng)過長時間使用后，過濾管需要進(jìn)行化學(xué)再生。因過程操作步驟較多，過濾濃縮機控制閥門一般采用氣動或電動，并接入PLC 或DCS 控制系統(tǒng)，自動化程度較高。

2 過濾濃縮機的應(yīng)用

鋰電正極材料前驅(qū)體的合成工藝一般可分為連續(xù)式和間歇式，過濾濃縮機是一種增加合成過程中反應(yīng)釜中的固含量的設(shè)備，在這兩種合成工藝中均被廣泛應(yīng)用。

2.1 連續(xù)式合成工藝

傳統(tǒng)連續(xù)式合成工藝制備的鋰電正極材料前驅(qū)體致密度一般較低，顆粒球形度較差，將過濾提濃機引入到前驅(qū)體的合成工藝中可以改善密度和球形度，其應(yīng)用如圖1 所示，即將反應(yīng)釜內(nèi)的漿料通過泵打入過濾濃縮機內(nèi)，通過過濾將一部分清液排出，濃縮后的漿料返回反應(yīng)釜內(nèi)，反應(yīng)完成的漿料通過溢流口進(jìn)入陳化釜，再進(jìn)行過濾、洗滌、烘干。采用連續(xù)式合成工藝，排出清液的速度小于反應(yīng)釜的總進(jìn)液量，通過設(shè)計不同的清液排出量來調(diào)控反應(yīng)釜中的固體含量，排出的清液量越多，反應(yīng)釜內(nèi)的固含量越高，目前工業(yè)生產(chǎn)中的固含量一般可以達(dá)到150～300 g/L。

2.2 間歇式合成工藝

圖1 過濾濃縮機在連續(xù)式合成工藝中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的間歇式合成工藝受限于反應(yīng)釜的體積，單批次合成料的產(chǎn)量少，生產(chǎn)效率比較低，將過濾濃縮機引入間歇式合成工藝后（一般以一臺反應(yīng)釜、一臺陳化釜、一臺過濾濃縮機的形式進(jìn)行搭配，如圖2 所示），反應(yīng)釜內(nèi)的物料先溢流進(jìn)入陳化釜，然后用泵打入過濾濃縮機內(nèi)，通過過濾后，清液排出反應(yīng)體系，濃縮后的漿料再溢流進(jìn)入反應(yīng)釜。反應(yīng)過程中排出的清液量等于反應(yīng)釜的進(jìn)料量，反應(yīng)釜內(nèi)保持液位恒定，隨著反應(yīng)時間延長，反應(yīng)體系的固含量持續(xù)增加，直到反應(yīng)中粒度達(dá)到要求，另反應(yīng)停止，將整個反應(yīng)體系內(nèi)的物料全部排出并進(jìn)行過濾洗滌、烘干等。間歇式合成工藝中反應(yīng)釜內(nèi)固含量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，一般當(dāng)反應(yīng)結(jié)束時，固含量可以達(dá)到400～800 g/L。該方法制備的前驅(qū)體產(chǎn)品顆粒致密度高、結(jié)晶效果好、粒度分布窄、生產(chǎn)效率高，是目前工業(yè)化應(yīng)用中較為常見的一種間歇式合成工藝，但固含量提高后可能會導(dǎo)致顆粒破碎或出現(xiàn)裂紋等情況，影響產(chǎn)品的品質(zhì)，因此在合成過程中需要對pH、氨含量、攪拌轉(zhuǎn)速、進(jìn)液量等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，工藝難度較大。

圖2 過濾濃縮機在間歇式合成工藝中的應(yīng)用

3 總結(jié)

過濾濃縮機是近年來逐漸應(yīng)用在鋰電正極材料前驅(qū)體生產(chǎn)過程中的一種設(shè)備，能夠增加鋰電正極材料前驅(qū)體合成過程中反應(yīng)釜中的固含量。另外，過濾濃縮機還可以對原料溶液進(jìn)行過濾、對跑率物料進(jìn)行回收等，本文主要介紹了其在鋰電正極材料前驅(qū)體合成工藝中的應(yīng)用。隨著過濾濃縮機技術(shù)不斷發(fā)展，其在鋰電正極材料前驅(qū)體工業(yè)化生產(chǎn)中的用途將會更加廣闊。