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 眾所周知，前驅(qū)體對(duì)三元材料的生產(chǎn)至關(guān)重要，因?yàn)榍膀?qū)體的品質(zhì)(形貌、粒徑、粒徑分布、比表面積、雜質(zhì)含量、振實(shí)密度等)直接決定了后燒結(jié)產(chǎn)物的理化指標(biāo)�？梢赃@么說(shuō)，三元材料60%的技術(shù)含量在前驅(qū)體工藝?yán)锩妗?/p>

國(guó)內(nèi)三元材料廠商無(wú)論在技術(shù)上和產(chǎn)能上都與優(yōu)美科等日韓廠家尚存一定的差距。前驅(qū)體在三元材料產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)重要位置，具有較高的技術(shù)壁壘，并對(duì)三元材料的品質(zhì)有重要影響，且為非標(biāo)定制的產(chǎn)品，因此，自產(chǎn)前驅(qū)體的廠商在技術(shù)升級(jí)的競(jìng)賽中更具優(yōu)勢(shì)。

都說(shuō)三元材料前驅(qū)體技術(shù)壁壘高，其制備影響因素都有哪些?

以合成Ni1/3Co1/3(OH)2為例，鎳鈷錳氫氧化物溶度積小，沉淀速率快，溶液過(guò)飽和度高，晶體成核快，容易形成膠體沉淀，形貌不易控制，而且Mn(OH)2溶度積較另外兩種氫氧化物大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，采用鎳鈷錳金屬鹽與堿直接反應(yīng)難于合成具有球形形貌前驅(qū)體，實(shí)現(xiàn)均勻的共沉淀，因此在氫氧化物前驅(qū)體的合成時(shí)，需控制反應(yīng)體系中沉淀離子的過(guò)飽和度、PH值、氨水濃度、溫度、攪拌、速率等。

1 氨水濃度的影響

如果要制備形狀規(guī)則的M(OH)2就要對(duì)沉淀反應(yīng)的速率進(jìn)行控制，我們可以利用NH3與Ni2+、CO2+、Mn2+的絡(luò)合作用調(diào)控反應(yīng)體系中金屬離子濃度，控制反應(yīng)成核和晶體生長(zhǎng)速率。

在共沉淀時(shí)，將PH值控制在11，選定不同NH4OH濃度，可以發(fā)現(xiàn)隨著NH3+濃度的增加，XRD圖無(wú)大的差別，但振實(shí)密度和形貌差別較大，這是因?yàn)樵诎彼�中M2+與NH3+先形成絡(luò)合離子，在堿性條件下形成氫氧化物沉淀。

從左到右NH₄OH濃度依次為0.12mol˙L^-1、0.24mol˙L^-1、0.36mol˙L^-1

由圖來(lái)看，隨著總氨濃度的上升，沉淀產(chǎn)物粒徑顯著增大，球形顆粒表面越來(lái)越光滑，球形度和致密性也逐漸增大，顆粒間分散性好。體系中鎳、鈷的溶解度顯著增加，共沉淀體系過(guò)飽和度隨之急劇減小，晶體成核速率大大降低，晶體生長(zhǎng)速率則不斷加快，所得沉淀產(chǎn)物粒徑也就逐漸長(zhǎng)大。

2 PH值的影響

在多組元的共同沉淀體系中，pH值的控制重要。因?yàn)閴A—氨水混合溶液是不斷加入的，同時(shí)又有絡(luò)合反應(yīng)的發(fā)生，使PH值比較難控制，另外含有Mn的氫氧化物中容易形成錳氧化物，當(dāng)溫度高于60℃時(shí)和PH值增加到某一范圍，錳的氫氧化物不沉淀而優(yōu)先生成錳的氧化物。當(dāng)堿過(guò)量和有氧存在時(shí)也易形成某種錳的氧化物。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在8<pH<10范圍內(nèi)，共沉淀體系的過(guò)飽和度隨PH值的上升而不斷減小，晶體成核速率變慢，晶體生長(zhǎng)速率則加快，所得晶粒尺寸不斷增大;而10< pH< 12范圍內(nèi)，共沉淀體系的過(guò)飽和度隨PH值的上升而不斷增大，所得品粒尺寸也就隨之不斷減小。當(dāng)控制體系的pH=11時(shí)，沉淀產(chǎn)物形貌單一，球形度好，粒度分布窄，振實(shí)密度高，有利于提高正極材料的電化學(xué)性能。

3 攪拌速率的影響

適當(dāng)增加攪拌速率可增加沉淀產(chǎn)物的振實(shí)密度。強(qiáng)烈攪拌能使加入反應(yīng)器中的鎳、鈷、錳離子與氫氧根離子迅速散開(kāi)，避免加料過(guò)程中體系局部過(guò)飽和度過(guò)大而引起大量成核;

攪拌速率的提高還可加快反應(yīng)離子在體系內(nèi)的傳質(zhì)，單位時(shí)間內(nèi)有更多的反應(yīng)物達(dá)到晶體的表面結(jié)晶，有利于晶體生長(zhǎng);

另外還可以加速小顆粒的溶解然后在大顆粒表面重新結(jié)晶析出，使得沉淀產(chǎn)物粒徑分布窄，形貌單一，振實(shí)密度隨之增大。

但當(dāng)攪拌強(qiáng)度到達(dá)一一定極值后，晶體生長(zhǎng)由擴(kuò)散控制轉(zhuǎn)為表面控制，此時(shí)繼續(xù)提高攪拌速率，晶體生長(zhǎng)速率基本不變。

4 反應(yīng)時(shí)間的影響

反應(yīng)時(shí)間會(huì)影響共沉淀產(chǎn)物的粒徑大小和形貌，而這些因素又直接影響著產(chǎn)品的堆積密度。沉淀晶體的形成是需要通過(guò)一定時(shí)間濃度的積累。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間較短時(shí)，顆粒較小，沉淀顆粒結(jié)晶性不好(有可能以膠體形式存在)，或者球形度較差，粒度分布也較寬，不同顆粒的粒徑相差比較懸殊，晶體的結(jié)晶致密程度相對(duì)較差。

但是當(dāng)反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，沉淀顆粒的粒徑分布開(kāi)始有變寬的趨勢(shì)，所以如果再增加反應(yīng)時(shí)間的話，對(duì)產(chǎn)品的形貌不會(huì)再有大的提高，而對(duì)粒度分布而言，則向不好的趨勢(shì)發(fā)展。

5 反應(yīng)溫度的影響

其他條件完全相同的工藝體條件下，不同的反應(yīng)溫度制備出前驅(qū)體的堆積密度不同，溫度升高堆積密度增大。但堆積密度在某一溫度出現(xiàn)大值后會(huì)有一下降的趨勢(shì)。

造成這一現(xiàn)象的原因是，溫度升高，溶液的過(guò)飽和度一般隨之下降，晶粒的生成速率提高，但影響不明顯，而晶粒長(zhǎng)大速率則大大提高。但如果溫度太高，反應(yīng)物分子動(dòng)能增加過(guò)快也不利于形成穩(wěn)定的晶核。

6 陳化的影響

在進(jìn)料結(jié)束后，并不馬上停止加熱，停止攪拌，溶液繼續(xù)停留在反應(yīng)器里一段時(shí)間，這樣可以使得反應(yīng)進(jìn)行得比較完全，有利于小顆粒晶體進(jìn)一步長(zhǎng)大，而已經(jīng)長(zhǎng)大的晶體也可以被溶液中還存在的NH3H2O磨掉邊角，使晶體變得圓整、光滑。

在反應(yīng)完后，進(jìn)行一定時(shí)間的陳化時(shí)非常有必要的，由于反應(yīng)總是趨于能量低的方向進(jìn)行，陳化到一定時(shí)間，Ni(OH)2沉淀產(chǎn)物會(huì)按照其固有的晶格構(gòu)造規(guī)律進(jìn)行定向重排，表現(xiàn)出較好的結(jié)晶性能。

參考資料：

《鋰離子電池三元材料——工藝技術(shù)及生產(chǎn)應(yīng)用》

原標(biāo)題:三元材料前驅(qū)體制備六大因素，研究透了您就是專(zhuān)家！