从专利角度浅析四氧化三钴生产设备关键技术

范 威

（有色金属技术经济研究院标准专利中心，北京 100089）

当前，锂离子电池行业快速发展，同时也带动了钴酸锂等钴系正极材料的发展，因此，对于锂离子电池钴系正极材料的需求也大幅增长。四氧化三钴作为锂离子电池正极材料钴酸锂的主要原料，其锂化性能、化学纯度、物理性能等直接关系到制得钴酸锂的相关性能。目前四氧化三钴的制备方法主要涉及化学沉淀法、喷雾热解法、热分解法、氧化法等，而工艺设备对于产品的生产至关重要，本文从专利信息分析的视角探究四氧化三钴生产设备关键技术。

1 化学沉淀法生产设备

化学沉淀法生产设备主要涉及加料装置、反应装置（反应釜）、洗涤除杂装置、煅烧装置、分级装置等。

关键技术点1：加料装置的改进

专利CN213995798U公开了一种高振实密度掺铝四氧化三钴加料装置的改进，主要涉及混合腔、进气管、加料管、扩压管的结构设计，通过该装置有利于颗粒粒度缓慢增长、球形度不断完善，提高了合成材料的致密程度和振实密度。专利CN101164904B公开了一种制备四氧化三钴粉末的焙烧炉的气动给料装置，主要涉及将给料泵给料改为气动给料，不仅使焙烧炉可以连续作业，提高给料的稳定性，而且还可以给焙烧炉内补充氧气。同时加设一个循环在线清洗系统，使焙烧炉给料管路可以保持流畅，从而进一步提高焙烧炉的设备利用率和工作效率。

关键技术点2：反应装置的改进

专利CN207056558U 公开了一种用于制备四氧化三钴反应容器的改进，将钴盐络合物溶液和碱溶液以喷雾方式喷入反应容器内，并且在反应容器内加入高压氧气，致使反应容器内压强增大，而且钴盐络合物溶液和碱溶液以雾态形式存在，使得在反应容器内可以快速完全反应，反应得到的沉淀会下沉到反应容器底部，整体反应时间大大减少。专利CN202893348U公开了一种生产钴酸锂前驱体四氧化三钴的专用反应釜，主要针对搅拌、导流、进料管道、溢流方式等方面作了进一步的改进，该反应釜使反应料液入釜时混合速度快、分散能力好，采用该釜产出的四氧化三钴前驱体具有球形度好且粒度分布窄、振实密度高，产品质量高等优点。专利CN210613696U 公开了一种球形四氧化三钴反应釜，通过卡环、固定杆、加强叶、转轴、主搅拌叶、主动轮、从动轮和内齿齿轮的相互配合使用，能够使用两个搅拌叶对物料进行搅拌，且两个搅拌叶的搅拌方向相反，在反应釜内部形成漩涡加速了反应釜内部的反应速率，达到提高工作效率的目的，避免一般的反应釜使用单个搅拌叶搅拌物料，耗费时间长，导致搅拌效率低的问题，从而提高了反应釜的工作效率。

关键技术点3：洗涤除杂装置的改进

专利 CN209792130U公开了一种用于四氧化三钴合成物料后处理的洗涤机，设置了多个过滤管、压缩空气反冲陈列机构，结构简单、易操作且洗涤效果佳，值得大力推广使用。专利CN207238250U 公开了一种四氧化三钴电池用的原料杂质过滤装置，设置了搅拌轴和搅拌叶，把高密度原料内的金属搅拌开来，使弱磁铁环更好的吸引住原料中的金属，并且可以直接将金属送出，保证了金属不会堆积在搅拌容器中，弱磁铁环上下移动时候，还可以刮掉滤网内壁上的杂质，保证了滤网的通畅。专利CN207046881U公开了一种低钠四氧化三钴的制备装置，通过管路依次连接第一离心机、推板窑、陈化釜、第二离心机、干燥器、合批机，在对四氧化三钴进行一次离心洗涤、陈化以及二次离心洗涤时，均通过流量控制器控制水的进入量，从而避免水资源的浪费；通过设置推板窑，实现对四氧化三钴进行灼烧，使钠变得易流；通过设置第二离心机，使得钠离子被彻底的洗掉，从而解决现有技术中装置结构不完善，操作繁琐，得到钠含量高的问题。

关键技术点4：煅烧装置的改进

专利CN100489129C 公开了一种微波烧结炉，在炉膛内设置螺带式锥形搅拌器，与置于炉膛上部的保温层外的传动机构相连，进料机构为螺旋进料机构，出料机构为水冷式螺旋出料机构，一套微波源与多套过渡波导围绕炉膛四周布置，采用该装置节能、高效，实现连续式烧结。专利CN203174175U公开了一种用于生产氧化钴类产品的电阻炉，主要涉及炉体的改进，能够避免产品中混入设备的金属杂质，可使生产氧化钴类产品的工艺流程缩短，产品的品质高。专利CN201697448U涉及一种回转窑炉，主要涉及在炉管内设置多个杨料板组，并且相邻两组杨料板呈错位角度，采用该装置能耗低，产品比表面积大、活性较高。

关键技术点5：分级装置的改进

专利CN210411526U 公开了一种四氧化三钴颗粒的分离装置，涉及了底板和球形分离器的结构设计，分离筛选效果好。专利CN207238446U公开了一种四氧化三钴超细粉粒筛选装置，通过筛选箱体内部设置三个筛选网，可对四氧化三钴超细粉粒进行多次过滤筛选，获得纯度更好的四氧化三钴，而三个筛选网之间通过连接杆连接，振动电机可以带动三个筛选网同时振动，从而加快物料的筛选效率。专利CN210613832U公开了一种四氧化三钴粉末分级机，通过主动轮、转轴、第一电机、第一滤网、主碾辊、从碾辊、从动轮和固定框的相互配合使用，能够在分级之前碾碎四氧化三钴粉粉末中的块状粉，碾碎后的粉分级更快速，达到分级效率高的目的，避免一般的分级机不及时处理结块的粉末，结块的粉块易堵住出料口，致使分级中断需要人工去疏通才能继续分级，导致分级效率低的问题。专利CN208583598U涉及一种粉末物料振动筛的改进，可以根据粉末物料的过筛速度，通过调节挡板第二端部与筛框之间间隙的大小，能够增加物料过筛率，在用于生产四氧化三钴时，可提高金属直收率。

2 喷雾热解法生产设备

喷雾热解法生产设备主要涉及喷雾热解炉、气流雾化氧化装置或者喷雾焙烧装置。

关键技术点1：喷雾热解炉的改进

专利CN106197025B涉及一种制备纯相四氧化三钴的喷雾热解炉的改进，可解决常规喷雾热解炉生产的四氧化三钴含有氧化亚钴的问题。

关键技术点2：气流雾化设备的改进

专利CN101497432B公开了一种溶液雾化氧化制备单一或复合金属氧化物的装置，设置一个带有1-6组电加热系统的竖式管状电炉，在竖式管状电炉内部的反应管中设有扰流装置，在反应管顶部设有密封盖，密封盖上设有与进料管连接的气流式雾化器，竖式管状电炉下部设有旋风分离器连接，以及气体吸收装置。制备的产品纯度大于99%，晶格完整，粒度分布均匀。

关键技术点3：喷雾焙烧装置的改进

专利 CN210457507U公开了一种采用喷雾焙烧法生产四氧化三钴的系统，包括存储氯化钴溶液的原料罐、预浓缩器、储酸罐、焙烧炉、旋风除尘器、收集装置，以及废气回收处理装置，采用该装置生产效率高、耗能少，节约能源。专利CN201121136Y 涉及一种喷雾焙烧制备四氧化三钴粉末设备的改进，实现反应温度稳定，扩大反应温度调节范围，废气排放达标等。

3 热分解法生产设备

热分解法生产设备主要涉及反应炉，通过对反应炉的改进，实现产品生产效果好，粒度分布均匀、质量稳定。

关键技术点：反应炉的改进

专利CN2900494Y 公开了一种节能型草酸钴连续生产四氧化三钴的装置，是将炉本体分成上、下两腔体，并在上腔体建立气固流态化的第一沸腾层，同时开设溢流口，实现连续生产，制备的产品质量稳定性高、产品粒度分布均匀。专利CN2756616Y公开了一种制备高品质四氧化三钴的反应炉，包括煅烧部分和尾气处理回收部分，结构简单、设计合理。

4 氧化法生产设备

氧化法生产设备主要涉及反应罐、反应釜等结构改进，使氧化合成反应更充分，提高四氧化三钴质量。

关键技术点：氧化反应装置的改进

专利CN204057993U涉及一种改善电池级四氧化三钴氧化动力学气流分布器及反应装置，通过改进增加反应釜中的单位体积液体粒子与气体的接触面积、并增加气体在反应釜中的停留时间，从而使氧化合成反应更充分，从而提高电池原料四氧化三钴的含量，降低杂质钠的含量，改善钴酸锂的电化学性能。专利CN203577771U 公开了一种四氧化三钴合成反应罐的物料控制装置，通过在反应罐上设置控制器、进料阀、调节阀、电磁阀及PH值传感器等控制结构，实现智能化操作，同时在生产过程中根据反应需要实时调节氯化钴溶液和碱液与氧气的流量，有效地减少人工劳动强度，提高流量的准确度、稳定性及生成的四氧化三钴的质量。专利CN204768721U 公开了一种液相合成制备纯相四氧化三钴的生产装置，主要涉及氧化剂进料管、钴液进料管和碱液进料管设置角度及高度的优化，从而得到纯性四氧化三钴。

5 总结

（1）化学沉淀法生产设备关键技术点

化学沉淀法生产设备主要涉及加料装置、反应装置、洗涤除杂装置、煅烧装置、分级装置等。

其中，加料装置用于原料添加，可针对进料管道、给料泵等结构进行改进，例如在相应物料的进料管道上加设控制阀门，有利于颗粒粒度的缓慢增长，球形度不断完善；通过将给料泵给料改为气动给料，不仅使焙烧炉可以连续作业，提高给料的稳定性，而且还可以给焙烧炉内补充氧气；加设一个循环在线清洗系统，使给料管路可以保持流畅；

反应装置的改进主要涉及反应釜结构的改进，具体针对反应釜内部搅拌机构的改进，通过改进能够提高搅拌速率，从而实现物料混合速度快、分散效果好；

洗涤除杂装置用于钴盐中杂质的脱除，主要涉及过滤装置的结构改进，有利于提高产品纯度；

煅烧装置种类包括烧结炉、电路炉、回转窑炉等，主要涉及炉体、炉膛、进料机构、出料机构等结构改进，有利于提高煅烧效率；

分级装置主要涉及分级机、球形分离器、过滤箱、振动筛等结构改进，用于对四氧化三钴超细粉粒进行过滤筛选，实现四氧化三钴产品分级。

（2）喷雾热解法生产设备关键技术点

喷雾热解法生产设备包括喷雾热解炉、气流雾化氧化装置、喷雾焙烧装置等，主要针对炉体、雾化装置、加热装置、物料输送机构、废气处理、除尘装置等结构改进，实现产品纯度高、粒度分布均匀。

（3）热分解法生产设备关键技术点

热分解法生产设备关键技术主要涉及对反应炉炉体、炉膛、加热区等结构的改进，可实现产品粒度分布均匀、质量稳定。

（4）氧化法生产设备关键技术点

氧化法生产设备涉及反应罐、反应釜等，主要针对反应罐罐体、反应釜釜体、进料管、进料控制等结构进行改进，从而使氧化合成反应更充分，提高四氧化三钴质量。