張朋立* 宋順林 劉亞飛 陳彥彬

（礦冶科技集團(tuán)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(zhǎng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在手機(jī)、電腦、電動(dòng)工具、電動(dòng)汽車儲(chǔ)能等行業(yè)。近年來，隨著技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，國(guó)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(zhǎng)趨勢(shì)，但與國(guó)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(duì)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(qiáng)度、合成溫度等工藝參數(shù)[3-4]對(duì)前驅(qū)體的品質(zhì)有著決定性的影響，因此對(duì)鋰電正極材料前驅(qū)體合成進(jìn)行研究，對(duì)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(jī)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(duì)過濾濃縮機(jī)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(jī)簡(jiǎn)介

過濾濃縮機(jī)是在一個(gè)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(jī)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(gè)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(shí)，也延長(zhǎng)了物料在反應(yīng)釜內(nèi)的停留時(shí)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(shí)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(jī)時(shí)要結(jié)合物料的特點(diǎn)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(jī)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(shí)對(duì)過濾管進(jìn)行反吹和反洗，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)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(jī)控制閥門一般采用氣動(dòng)或電動(dòng)，并接入PLC 或DCS 控制系統(tǒng)，自動(dòng)化程度較高。

2 過濾濃縮機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jì)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(jī)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(jī)引入間歇式合成工藝后（一般以一臺(tái)反應(yīng)釜、一臺(tái)陳化釜、一臺(tái)過濾濃縮機(jī)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(jī)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(shí)間延長(zhǎng)，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(gè)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(shì)，一般當(dāng)反應(yīng)結(jié)束時(shí)，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(huì)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(duì)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(jī)在間歇式合成工藝中的應(yīng)用

3 總結(jié)

過濾濃縮機(jī)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(jī)還可以對(duì)原料溶液進(jìn)行過濾、對(duì)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(jī)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(huì)更加廣闊。