專利名稱：一種制備高密度四氧化三鈷粉末的方法與設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制備高密度四氧化三鈷粉末的方法與設備，其原料為氯化鈷。
技術背景四氧化三鈷是制造鋰離子電池正極材料"c。q的原料。目前，工業(yè)生產(chǎn)四氧 化三鈷的方法主要是濕法沉淀一煅燒法，該法有2種具體工藝。其一為以碳酸 氫氨為沉淀劑，加入鈷鹽溶液中，生成堿式碳酸鈷沉淀，過濾、洗滌和干燥后， 在800。C左右高溫下煅燒，得到四氧化三鈷產(chǎn)品。其二是釆用A^O/7為中和劑， 在控制溫度、pH值等條件下，從鈷鹽溶液中水解沉淀出。(0//)2,再在80(TC左 右高溫下煅燒，得到四氧化三鈷產(chǎn)品。濕法沉淀一煅燒法的優(yōu)點為，技術起點 低，易于實現(xiàn)和掌握；但存在的缺點在于，工藝流程較長，生產(chǎn)效率低，存在 含氨氮廢水污染，產(chǎn)品形貌為多孔團聚體，振實密度低，存在氧化亞鈷等雜相， 均一性差，性能不能很好滿足丄/。02生產(chǎn)要求。優(yōu)美克公司等釆用溶液霧化一焙燒法生產(chǎn)四氧化三鈷。具體工藝為，將CoC/, 水溶液釆用離心、高壓或超聲等方法霧化，噴入高溫焙燒爐中，在80(TC左右高溫下，霧滴經(jīng)過加熱脫水、結晶、高溫水解、氧化、碰撞團聚及燒結等系列物 理、化學過程，轉化為四氧化三鈷粉末。該法的優(yōu)點在于能生產(chǎn)高密度四氧化 三鈷粉末，但存在霧化焙燒爐體積龐大、材質要求高、能耗高、收塵及尾氣處 理系統(tǒng)復雜、投資大等不足。在"制備高品質四氧化三鈷的新方法"(申請?zhí)?200410023350.6)和"制 備高品質四氧化三鈷的反應爐"(申請?zhí)?00420036289.4)的專利申請中，提 出了一種以含結晶水的鈷鹽為原料，將其盛于容器內，置于推舟式隧道窯中加 熱，制造四氧化三鈷粉末的方法。該法存在的問題是，物料處于靜止狀態(tài)，若 料層太薄，則生產(chǎn)效率很低；而料層過厚，則由于料層受熱不勻，加熱時結晶 水大量析出使爐料熔融、結殼等發(fā)生，導致反應條件不均勻、產(chǎn)品一致性差、 顆粒粗大等問題。因而在工業(yè)生產(chǎn)上其操作控制難度較大。 發(fā)明內容本發(fā)明的目的是，針對制備四氧化三鈷的現(xiàn)有技術中存在的產(chǎn)品質量差、 存在污染、投資大、實施困難等不足，提出一種制備高密度四氧化三鈷的方法及設備。其方案為，以ioo目-400目的粉末狀無水coa,為原料，將其加入反應爐中，于500 1000。C溫度下，呈運動狀態(tài)與含水蒸汽的氧化性氣體充分混合，反 應生成四氧化三鈷粉末，其反應式為3CoC/2(s) + 3//20(g) +1 / 2<92(g> = Co304(s) + 6//C/(g)。 所述反應爐為飄浮式反應爐，包括一個爐體，其上部為筒體，設有進料管和排氣管；其下部為錐形，底端設有排渣口，錐體下端的錐面上設有進氣口。本發(fā)明方法工藝過程及設備簡單，工藝制度便于掌握調控，反應產(chǎn)物只有 氣固兩相且容易分離，其后處理工序，即氣固分離、粉末的洗滌、干燥、分級以及HC1氣體的回收等易于與現(xiàn)有工藝手段銜接，產(chǎn)品質量高，生產(chǎn)過程無污染。


圖i為本發(fā)明的原則流程圖；圖2為本發(fā)明飄浮式反應爐示意圖；圖3為本發(fā)明樣品SEM檢測照片； 圖4為本發(fā)明樣品XRD檢測結果。
具體實施方式
以下對所發(fā)明的技術方案詳細描述。如圖l所示，本發(fā)明所采用的CoC"原料，是采用電池級CoCV6i^0，在250 "C溫度下加熱真空脫水后，再經(jīng)粉碎制備的，其粒度在100-400目。反應氣體 含氧量為21-50%, —般用空氣即可，或在空氣中配入氧氣；反應氣體中所含 水份，采用計量泵將水輸送至霧化器，水霧化后噴入高溫氣流氣化加入，因此， 高溫氧化氣體中，水份含量是可控的， 一般按化學計量的100~120%加入，過 高則造成尾氣露點升高，導致收塵系統(tǒng)只能在te溫下運行，收塵布袋材質選擇 困難。飄浮式反應爐的結構如附圖2所示。其外殼的上部為簡體l，頂部設有加料 管2和氣流與產(chǎn)物排出管3;下部為錐形管4，底端5設有排渣管6 (其出口裝 有排放閩)，錐形管4下端的錐面上接有熱風管7，熱風管7最好按切線方式接 入，使氣體以旋流方式送入，可強化與原料的混合和反應效果。爐子制作成電 (外)加熱式，爐體外殼的外面為保溫層及電熱元件8。加料器9采用定量給料設備。爐子材質使用Haynes HR-160或Haynes HR-120或Haynes 230鎳基合金， 高溫和抗氯離子腐蝕性能好。為了滿足反應的溫度要求并兼顧爐體材質的使用 壽命，爐子的運行溫度最好為600~900°C。運行時，無水C。C^由加料器9通過加料管2送進爐內，含水蒸汽的高溫氧 化性氣體由熱風管7送入，原料粉末以飄撒形式與氣流方向呈逆向方式加入， 在氣流的作用下粉末呈懸浮狀態(tài)，與氣體充分混合并反應，微細粉末在簡體1 中的下降過程即反應完畢。部分大顆粒進入錐形管4中，由于錐形管4的截面 由上至下逐漸變小，氣流速度則由上至下逐漸增大，可使不同粒度的大顆粒在 錐形管4中呈懸浮狀態(tài)與氣體充分混合并反應。反應產(chǎn)物由氣流與產(chǎn)物排出管3 排出，進入后處理工序。本發(fā)明方法的設備也可采用流態(tài)化焙燒爐或回轉式焙燒爐，只要能使物料 處于流動或翻動狀態(tài)，實現(xiàn)與含水氧化性氣流的良好接觸，從而使之混合均勾 且快速反應。生成的四氧化三鈷在收塵系統(tǒng)中進行氣固分離，釆用旋風和袋式收塵器收 集，經(jīng)洗滌、干燥、氣流粉碎與分級，得到四氧化三鈷產(chǎn)品。尾氣中所含HC/氣 體，釆用石墨吸收塔用水吸收，轉化為36%鹽酸回收利用。冷卻收塵部分的裝 置，在高于250。C時，用Hastelly C-22或Hastelly G - 30,該材質適應溫度不太 高，含氯離子的酸性氧化性氣體。低于25(TC后，可用304L或316L不銹鋼， 內襯Teflon或硅橡膠，收塵布袋用涂覆聚四氟乙烯的玻璃纖維布制作。收塵布 袋以后的管道釆用聚丙烯管。石墨吸收塔選用標準設備。引風機用塑料風機。洗滌釆用去離子水洗滌，攪拌槽漿化，壓濾機壓濾，洗至無氯離子檢出(釆 用硝酸銀水溶液檢測)，干燥采用雙錐回轉真空干燥機，粉碎與分級釆用氣流粉 碎分級機。本發(fā)明方法的生產(chǎn)過程是連續(xù)的，在開爐時，釆用煤氣、液化氣或天然氣， 用燃燒器在爐內燃燒，將爐溫提升至額定溫度，通過電加熱保持恒溫，其后， 反應過程所需熱量，通過高溫換熱器對含水蒸汽的氧化性氣體加熱帶入。釆用所發(fā)明的方法與設備，制備的四氧化三鈷粉末的特征為，粉末顆粒結 晶度高，呈多面體形，無雜相，振實密度大于2.5g/cm3，粒度在1 20微米之間， 如圖3的SEM與圖4的XRD檢測結果所示，特別適用于制造鋰離子電池正極材 料"C。"的原料。
權利要求
1. 一種高密度四氧化三鈷粉末的制備方法，其特征在于，以粒度為100～400目的無水CoCl2為原料，將其加入反應爐中，于500～1000℃溫度下，呈運動狀態(tài)與含水蒸汽的氧化性氣體充分混合，反應生成四氧化三鈷粉末，其反應式為3CoCl2(s)+3H2O(g)+1/2O2(g)＝Co3O4(s)+6HCl(g)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述氧化性氣體的含氧量 為21 ~50%。
3. 根據(jù)權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述氧化性氣體為氧氣。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，所述氧化氣體中，水 份按化學計量的100~120%加入。
5. —種制備高密度四氧化三鈷粉末的設備，其特征在于，包括一個爐體，其 上部為筒體，設有進料管和氣流與產(chǎn)物排出管；其下部為錐形管，底端設有排 渣管，錐形管下端的錐面上接有熱風管。
6. 根據(jù)權利要求5所述的設備，其特征在于，所述熱風管按切線方式接入 錐形管下端的錐面上。
全文摘要
一種制備高密度四氧化三鈷粉末的方法與設備，以無水CoCl₂為原料，其粒度為100～400目，將其加入反應爐中，于500～1000℃溫度下，呈運動狀態(tài)與含水蒸汽的氧化性氣體充分混合，反應生成四氧化三鈷粉末。設備包括一個爐體，其上部為筒體，設有進料管和氣流與產(chǎn)物排出管；其下部為錐形管，底端設有排渣管，錐形管下端的錐面上接有熱風管。本發(fā)明方法工藝過程及設備簡單，工藝制度便于掌握調控，反應產(chǎn)物只有氣固兩相且容易分離，其后處理工序，即氣固分離、粉末的洗滌、干燥、分級以及HCl氣體的回收等易于與現(xiàn)有工藝手段銜接，產(chǎn)品質量高，生產(chǎn)過程無污染。
文檔編號C01G51/04GK101274782SQ20071003461
公開日2008年10月1日 申請日期2007年3月26日 優(yōu)先權日2007年3月26日
發(fā)明者劉志宏, 劉智勇, 李啟厚, 李玉虎, 雷 胡 申請人:中南大學