钴酸锂粒度控制对产品性能的影响

刘为刚

（中南大学冶金与环境学院，湖南长沙 410083）

钴酸锂粒度控制对产品性能的影响

刘为刚

（中南大学冶金与环境学院，湖南长沙 410083）

介绍了钴酸锂生产过程中，通过控制合成炉温度提高了产品的粒度均匀性，同时产品物理性能得到改善，克容量提高2 mAh／g。

钴酸锂；粒度；性能

钴酸锂正极材料主要用于锂离子二次电池［1］。钴酸锂生产工艺并不复杂，目前主流生产工艺为高温固相反应法。此方法制备工艺的主要特点是采用高纯度、高反应活性的四氧化三钴纳米粉体为原料，与碳酸锂进行二阶段固相合成二次锂离子电池正极材料钴酸锂［2］。

在高温固相反应法生产钴酸锂过程中，温度是一项重要的控制指标，它很大程度上决定了产品的粒度，而粒度直接影响了产品的物化性能，对电化学性能也有一定影响。本文将对合成炉（推板窑）工业生产钴酸锂过程中合成温度对钴酸锂粒度的影响、从而引起产品其它性能的变化进行研究和探讨。

1 生产过程

1.1 生产工艺

该工艺采用高温固相合成，是目前主流工艺［3］，具体流程图如图1所示。

图1 生产工艺流程图

1.2 生产原料

四氧化三钴原料选用湖南雅城新材料发展有限公司的YCC102型产品，其相关物理、化学指标见表1、表2。

表1 四氧化三钴物理指标

表2 四氧化三钴化学指标

碳酸锂选用江苏南通海门容汇通用锂业有限公司的电池级RH6型产品，其相关物理、化学指标见表3、表4。

表3 碳酸锂物理指标

表4 碳酸锂化学指标

1.3 生产设备

生产设备合成炉包括炉体和架桥，炉体是钴酸锂烧结的地方，架桥与炉体连接，供装卸物料以及物料进出炉膛，其主体结构示意图如图2所示，炉体剖面图如图3所示。合成炉全长22 m，分为14个温区，1～5温区为升温区，6～11温区为恒温区，12温区至炉尾为自然冷却区。

图2 合成炉主体示意图

图3 合成炉炉体剖面图

1.4 检测

用Mastersizer2000型激光粒度仪（英国产）检测样品的粒度；用QuadraSorb SI型比表面积测量仪（美国产）测试样品的比表面积；用FZS4－2型振实密度仪（北京产）测试产品振实密度。产品经过制浆、涂布成极片后在辊压机上进行辊压（测压实密度）、裁片后制成全电池，电池在BTS－5V／5A电池检测柜（深圳产）上，在3.0～4.2 V电压范围，以0.5 C的电流对电池进行充放电测试。

2 结果与讨论

2.1 合成炉温度控制及粒度关系

由于合成炉分三层，上下存在气氛和温度的差异，导致产品粒度存在差别，影响产品品质的稳定性。通过调整温度场，可以得到粒度均匀性较好的产品。调整前后的上中下层产品的粒度见表5、表6。

表5 调整前产品粒度 μm

表6 调整后产品粒度 μm

从表5、表6可以看出，调整前产品粒度分层严重，由于气氛是从炉底进炉顶出，所以热量从炉顶大量被带走，降低了上层温度，导致产品粒度从下到上依次减小。经过调整后，产品上中下层粒度基本一致，产品均匀性明显提高。

2.2 其它物理性能指标

产品粒度差异将导致其它物理性能指标的不同。将13074090B批次产品和13074091B批次产品进行对比检测，数据见表7。

表7 产品其它物理指标

从表7可以看出，受粒度影响，当粒度分布较宽时，产品的比表面积较小，当颗粒大小均匀一致时，产品的振实密度和压实密度提高，产品的加工性能有一定优势，而且较大的粒度将影响其电性能的发挥，使其与电解液得不到更多的接触，容量得不到充分的发挥。

2.3 电性能指标

通过对产品进行电性能检测，克容量如图4所示，循环性能如图5所示。可以看出，13074090B批次产品克容量145 mAh／g左右，而13074091B批次在147 mAh／g左右，且在循环性能上两者相差不大。因此，粒度更小更均匀的产品具有更好的电性能。

图4 产品克容量曲线图

3 结 论

温度控制是正极材料生产中至关重要的环节，通过对产品粒度的研究得出以下结论：

1.对于温度场不均匀的设备，通过调节可以得到上中下比较均匀的粒度分布，提高产品稳定性；

2.粒度均匀性较好的产品物理性能较好，克容量也高约2 mAh／g。

图5 产品循环性能图

［1］ 温兆银.锂离子二次电池的现状与展望［J］.新材料产业，2003，9（119）：45－49.

［2］ 雷圣辉，陈海清，刘军，等.锂电池正极材料钴酸锂的改性研究进展［J］.湖南有色金属，2009，25（9）：37－42.

［3］ 郭炳焜，徐徽，王先友，等.锂离子电池［M］.长沙：中南大学出版社，2002.7－9.

Effects of Particle Size Control on the Performance of LiCoO2

LIUWei-gang
（School of Metallurgy and Environment，Central South University，Changsha 410083，China）

This paper introduces the research on enhancing the product granularity uniformity by controlling the synthesis furnace temperature.The capacity of the product is increased by 2 mAh／g and physical property is improved also.

lithium cobalt oxides；particle size；performance

TG146.1＋6

：A

：1003－5540（2014）01－0045－03

2013－12－28

刘为刚（1986－），男，工程硕士，主要从事冶金工程技术研发及锂离子电池正极材料生产管理工作。