從專利角度淺析四氧化三鈷生產(chǎn)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

范 威

（有色金屬技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院標(biāo)準(zhǔn)專利中心，北京 100089）

當(dāng)前，鋰離子電池行業(yè)快速發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)了鈷酸鋰等鈷系正極材料的發(fā)展，因此，對(duì)于鋰離子電池鈷系正極材料的需求也大幅增長(zhǎng)。四氧化三鈷作為鋰離子電池正極材料鈷酸鋰的主要原料，其鋰化性能、化學(xué)純度、物理性能等直接關(guān)系到制得鈷酸鋰的相關(guān)性能。目前四氧化三鈷的制備方法主要涉及化學(xué)沉淀法、噴霧熱解法、熱分解法、氧化法等，而工藝設(shè)備對(duì)于產(chǎn)品的生產(chǎn)至關(guān)重要，本文從專利信息分析的視角探究四氧化三鈷生產(chǎn)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)。

1 化學(xué)沉淀法生產(chǎn)設(shè)備

化學(xué)沉淀法生產(chǎn)設(shè)備主要涉及加料裝置、反應(yīng)裝置（反應(yīng)釜）、洗滌除雜裝置、煅燒裝置、分級(jí)裝置等。

關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)1：加料裝置的改進(jìn)

專利CN213995798U公開了一種高振實(shí)密度摻鋁四氧化三鈷加料裝置的改進(jìn)，主要涉及混合腔、進(jìn)氣管、加料管、擴(kuò)壓管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過該裝置有利于顆粒粒度緩慢增長(zhǎng)、球形度不斷完善，提高了合成材料的致密程度和振實(shí)密度。專利CN101164904B公開了一種制備四氧化三鈷粉末的焙燒爐的氣動(dòng)給料裝置，主要涉及將給料泵給料改為氣動(dòng)給料，不僅使焙燒爐可以連續(xù)作業(yè)，提高給料的穩(wěn)定性，而且還可以給焙燒爐內(nèi)補(bǔ)充氧氣。同時(shí)加設(shè)一個(gè)循環(huán)在線清洗系統(tǒng)，使焙燒爐給料管路可以保持流暢，從而進(jìn)一步提高焙燒爐的設(shè)備利用率和工作效率。

關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)2：反應(yīng)裝置的改進(jìn)

專利CN207056558U 公開了一種用于制備四氧化三鈷反應(yīng)容器的改進(jìn)，將鈷鹽絡(luò)合物溶液和堿溶液以噴霧方式噴入反應(yīng)容器內(nèi)，并且在反應(yīng)容器內(nèi)加入高壓氧氣，致使反應(yīng)容器內(nèi)壓強(qiáng)增大，而且鈷鹽絡(luò)合物溶液和堿溶液以霧態(tài)形式存在，使得在反應(yīng)容器內(nèi)可以快速完全反應(yīng)，反應(yīng)得到的沉淀會(huì)下沉到反應(yīng)容器底部，整體反應(yīng)時(shí)間大大減少。專利CN202893348U公開了一種生產(chǎn)鈷酸鋰前驅(qū)體四氧化三鈷的專用反應(yīng)釜，主要針對(duì)攪拌、導(dǎo)流、進(jìn)料管道、溢流方式等方面作了進(jìn)一步的改進(jìn)，該反應(yīng)釜使反應(yīng)料液入釜時(shí)混合速度快、分散能力好，采用該釜產(chǎn)出的四氧化三鈷前驅(qū)體具有球形度好且粒度分布窄、振實(shí)密度高，產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。專利CN210613696U 公開了一種球形四氧化三鈷反應(yīng)釜，通過卡環(huán)、固定桿、加強(qiáng)葉、轉(zhuǎn)軸、主攪拌葉、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和內(nèi)齒齒輪的相互配合使用，能夠使用兩個(gè)攪拌葉對(duì)物料進(jìn)行攪拌，且兩個(gè)攪拌葉的攪拌方向相反，在反應(yīng)釜內(nèi)部形成漩渦加速了反應(yīng)釜內(nèi)部的反應(yīng)速率，達(dá)到提高工作效率的目的，避免一般的反應(yīng)釜使用單個(gè)攪拌葉攪拌物料，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致攪拌效率低的問題，從而提高了反應(yīng)釜的工作效率。

關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)3：洗滌除雜裝置的改進(jìn)

專利 CN209792130U公開了一種用于四氧化三鈷合成物料后處理的洗滌機(jī)，設(shè)置了多個(gè)過濾管、壓縮空氣反沖陳列機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作且洗滌效果佳，值得大力推廣使用。專利CN207238250U 公開了一種四氧化三鈷電池用的原料雜質(zhì)過濾裝置，設(shè)置了攪拌軸和攪拌葉，把高密度原料內(nèi)的金屬攪拌開來，使弱磁鐵環(huán)更好的吸引住原料中的金屬，并且可以直接將金屬送出，保證了金屬不會(huì)堆積在攪拌容器中，弱磁鐵環(huán)上下移動(dòng)時(shí)候，還可以刮掉濾網(wǎng)內(nèi)壁上的雜質(zhì)，保證了濾網(wǎng)的通暢。專利CN207046881U公開了一種低鈉四氧化三鈷的制備裝置，通過管路依次連接第一離心機(jī)、推板窯、陳化釜、第二離心機(jī)、干燥器、合批機(jī)，在對(duì)四氧化三鈷進(jìn)行一次離心洗滌、陳化以及二次離心洗滌時(shí)，均通過流量控制器控制水的進(jìn)入量，從而避免水資源的浪費(fèi)；通過設(shè)置推板窯，實(shí)現(xiàn)對(duì)四氧化三鈷進(jìn)行灼燒，使鈉變得易流；通過設(shè)置第二離心機(jī)，使得鈉離子被徹底的洗掉，從而解決現(xiàn)有技術(shù)中裝置結(jié)構(gòu)不完善，操作繁瑣，得到鈉含量高的問題。

關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)4：煅燒裝置的改進(jìn)

專利CN100489129C 公開了一種微波燒結(jié)爐，在爐膛內(nèi)設(shè)置螺帶式錐形攪拌器，與置于爐膛上部的保溫層外的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，進(jìn)料機(jī)構(gòu)為螺旋進(jìn)料機(jī)構(gòu)，出料機(jī)構(gòu)為水冷式螺旋出料機(jī)構(gòu)，一套微波源與多套過渡波導(dǎo)圍繞爐膛四周布置，采用該裝置節(jié)能、高效，實(shí)現(xiàn)連續(xù)式燒結(jié)。專利CN203174175U公開了一種用于生產(chǎn)氧化鈷類產(chǎn)品的電阻爐，主要涉及爐體的改進(jìn)，能夠避免產(chǎn)品中混入設(shè)備的金屬雜質(zhì)，可使生產(chǎn)氧化鈷類產(chǎn)品的工藝流程縮短，產(chǎn)品的品質(zhì)高。專利CN201697448U涉及一種回轉(zhuǎn)窯爐，主要涉及在爐管內(nèi)設(shè)置多個(gè)楊料板組，并且相鄰兩組楊料板呈錯(cuò)位角度，采用該裝置能耗低，產(chǎn)品比表面積大、活性較高。

關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)5：分級(jí)裝置的改進(jìn)

專利CN210411526U 公開了一種四氧化三鈷顆粒的分離裝置，涉及了底板和球形分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分離篩選效果好。專利CN207238446U公開了一種四氧化三鈷超細(xì)粉粒篩選裝置，通過篩選箱體內(nèi)部設(shè)置三個(gè)篩選網(wǎng)，可對(duì)四氧化三鈷超細(xì)粉粒進(jìn)行多次過濾篩選，獲得純度更好的四氧化三鈷，而三個(gè)篩選網(wǎng)之間通過連接桿連接，振動(dòng)電機(jī)可以帶動(dòng)三個(gè)篩選網(wǎng)同時(shí)振動(dòng)，從而加快物料的篩選效率。專利CN210613832U公開了一種四氧化三鈷粉末分級(jí)機(jī)，通過主動(dòng)輪、轉(zhuǎn)軸、第一電機(jī)、第一濾網(wǎng)、主碾輥、從碾輥、從動(dòng)輪和固定框的相互配合使用，能夠在分級(jí)之前碾碎四氧化三鈷粉粉末中的塊狀粉，碾碎后的粉分級(jí)更快速，達(dá)到分級(jí)效率高的目的，避免一般的分級(jí)機(jī)不及時(shí)處理結(jié)塊的粉末，結(jié)塊的粉塊易堵住出料口，致使分級(jí)中斷需要人工去疏通才能繼續(xù)分級(jí)，導(dǎo)致分級(jí)效率低的問題。專利CN208583598U涉及一種粉末物料振動(dòng)篩的改進(jìn)，可以根據(jù)粉末物料的過篩速度，通過調(diào)節(jié)擋板第二端部與篩框之間間隙的大小，能夠增加物料過篩率，在用于生產(chǎn)四氧化三鈷時(shí)，可提高金屬直收率。

2 噴霧熱解法生產(chǎn)設(shè)備

噴霧熱解法生產(chǎn)設(shè)備主要涉及噴霧熱解爐、氣流霧化氧化裝置或者噴霧焙燒裝置。

關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)1：噴霧熱解爐的改進(jìn)

專利CN106197025B涉及一種制備純相四氧化三鈷的噴霧熱解爐的改進(jìn)，可解決常規(guī)噴霧熱解爐生產(chǎn)的四氧化三鈷含有氧化亞鈷的問題。

關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)2：氣流霧化設(shè)備的改進(jìn)

專利CN101497432B公開了一種溶液霧化氧化制備單一或復(fù)合金屬氧化物的裝置，設(shè)置一個(gè)帶有1-6組電加熱系統(tǒng)的豎式管狀電爐，在豎式管狀電爐內(nèi)部的反應(yīng)管中設(shè)有擾流裝置，在反應(yīng)管頂部設(shè)有密封蓋，密封蓋上設(shè)有與進(jìn)料管連接的氣流式霧化器，豎式管狀電爐下部設(shè)有旋風(fēng)分離器連接，以及氣體吸收裝置。制備的產(chǎn)品純度大于99%，晶格完整，粒度分布均勻。

關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)3：噴霧焙燒裝置的改進(jìn)

專利 CN210457507U公開了一種采用噴霧焙燒法生產(chǎn)四氧化三鈷的系統(tǒng)，包括存儲(chǔ)氯化鈷溶液的原料罐、預(yù)濃縮器、儲(chǔ)酸罐、焙燒爐、旋風(fēng)除塵器、收集裝置，以及廢氣回收處理裝置，采用該裝置生產(chǎn)效率高、耗能少，節(jié)約能源。專利CN201121136Y 涉及一種噴霧焙燒制備四氧化三鈷粉末設(shè)備的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)溫度穩(wěn)定，擴(kuò)大反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)范圍，廢氣排放達(dá)標(biāo)等。

3 熱分解法生產(chǎn)設(shè)備

熱分解法生產(chǎn)設(shè)備主要涉及反應(yīng)爐，通過對(duì)反應(yīng)爐的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)效果好，粒度分布均勻、質(zhì)量穩(wěn)定。

關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)：反應(yīng)爐的改進(jìn)

專利CN2900494Y 公開了一種節(jié)能型草酸鈷連續(xù)生產(chǎn)四氧化三鈷的裝置，是將爐本體分成上、下兩腔體，并在上腔體建立氣固流態(tài)化的第一沸騰層，同時(shí)開設(shè)溢流口，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，制備的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性高、產(chǎn)品粒度分布均勻。專利CN2756616Y公開了一種制備高品質(zhì)四氧化三鈷的反應(yīng)爐，包括煅燒部分和尾氣處理回收部分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理。

4 氧化法生產(chǎn)設(shè)備

氧化法生產(chǎn)設(shè)備主要涉及反應(yīng)罐、反應(yīng)釜等結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使氧化合成反應(yīng)更充分，提高四氧化三鈷質(zhì)量。

關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)：氧化反應(yīng)裝置的改進(jìn)

專利CN204057993U涉及一種改善電池級(jí)四氧化三鈷氧化動(dòng)力學(xué)氣流分布器及反應(yīng)裝置，通過改進(jìn)增加反應(yīng)釜中的單位體積液體粒子與氣體的接觸面積、并增加氣體在反應(yīng)釜中的停留時(shí)間，從而使氧化合成反應(yīng)更充分，從而提高電池原料四氧化三鈷的含量，降低雜質(zhì)鈉的含量，改善鈷酸鋰的電化學(xué)性能。專利CN203577771U 公開了一種四氧化三鈷合成反應(yīng)罐的物料控制裝置，通過在反應(yīng)罐上設(shè)置控制器、進(jìn)料閥、調(diào)節(jié)閥、電磁閥及PH值傳感器等控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)智能化操作，同時(shí)在生產(chǎn)過程中根據(jù)反應(yīng)需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)氯化鈷溶液和堿液與氧氣的流量，有效地減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高流量的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及生成的四氧化三鈷的質(zhì)量。專利CN204768721U 公開了一種液相合成制備純相四氧化三鈷的生產(chǎn)裝置，主要涉及氧化劑進(jìn)料管、鈷液進(jìn)料管和堿液進(jìn)料管設(shè)置角度及高度的優(yōu)化，從而得到純性四氧化三鈷。

5 總結(jié)

（1）化學(xué)沉淀法生產(chǎn)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

化學(xué)沉淀法生產(chǎn)設(shè)備主要涉及加料裝置、反應(yīng)裝置、洗滌除雜裝置、煅燒裝置、分級(jí)裝置等。

其中，加料裝置用于原料添加，可針對(duì)進(jìn)料管道、給料泵等結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，例如在相應(yīng)物料的進(jìn)料管道上加設(shè)控制閥門，有利于顆粒粒度的緩慢增長(zhǎng)，球形度不斷完善；通過將給料泵給料改為氣動(dòng)給料，不僅使焙燒爐可以連續(xù)作業(yè)，提高給料的穩(wěn)定性，而且還可以給焙燒爐內(nèi)補(bǔ)充氧氣；加設(shè)一個(gè)循環(huán)在線清洗系統(tǒng)，使給料管路可以保持流暢；

反應(yīng)裝置的改進(jìn)主要涉及反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，具體針對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)部攪拌機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，通過改進(jìn)能夠提高攪拌速率，從而實(shí)現(xiàn)物料混合速度快、分散效果好；

洗滌除雜裝置用于鈷鹽中雜質(zhì)的脫除，主要涉及過濾裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，有利于提高產(chǎn)品純度；

煅燒裝置種類包括燒結(jié)爐、電路爐、回轉(zhuǎn)窯爐等，主要涉及爐體、爐膛、進(jìn)料機(jī)構(gòu)、出料機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)改進(jìn)，有利于提高煅燒效率；

分級(jí)裝置主要涉及分級(jí)機(jī)、球形分離器、過濾箱、振動(dòng)篩等結(jié)構(gòu)改進(jìn)，用于對(duì)四氧化三鈷超細(xì)粉粒進(jìn)行過濾篩選，實(shí)現(xiàn)四氧化三鈷產(chǎn)品分級(jí)。

（2）噴霧熱解法生產(chǎn)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

噴霧熱解法生產(chǎn)設(shè)備包括噴霧熱解爐、氣流霧化氧化裝置、噴霧焙燒裝置等，主要針對(duì)爐體、霧化裝置、加熱裝置、物料輸送機(jī)構(gòu)、廢氣處理、除塵裝置等結(jié)構(gòu)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品純度高、粒度分布均勻。

（3）熱分解法生產(chǎn)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

熱分解法生產(chǎn)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)主要涉及對(duì)反應(yīng)爐爐體、爐膛、加熱區(qū)等結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品粒度分布均勻、質(zhì)量穩(wěn)定。

（4）氧化法生產(chǎn)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

氧化法生產(chǎn)設(shè)備涉及反應(yīng)罐、反應(yīng)釜等，主要針對(duì)反應(yīng)罐罐體、反應(yīng)釜釜體、進(jìn)料管、進(jìn)料控制等結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，從而使氧化合成反應(yīng)更充分，提高四氧化三鈷質(zhì)量。