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分析動力電池三元材料工藝技術及生產應用

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年05月10日  

晶核是過飽和溶液中初始生成的微小晶粒,是結晶過程必不可少的核心。晶核的形成可以分為初級成核和二次成核,初級成核又分為均相成核和非均相成核。此外,成核速率是決定結晶產品粒度分布的首要動力學因素,成核速率是指單位時間內在單位體積溶液中生成新核的數目。如果成核速率過大,將會使得晶核泛濫,晶體質量差。

因此,要合成粒度較大晶體時需要避免過度成核,均相成核速率公式可以用下式表示:南砥exp\_kT(ln)2_式中,費為成核速率;丁為絕對溫度;v為晶體摩爾質量;盯為晶核表面張力;s為過飽和度;盯為固液界面比表面能。上式把成核速率、過飽和系數和結晶物質的物理性質聯系在一起了。通過該式可以看出,隨著過飽和度的增大,新相粒子數急劇增大'并隨著它的減小而趨于O。

反應溫度的升高,也有利于快速成核。因此,在共沉淀反應中應該選擇合適過飽和度以及反應溫度,避免過度成核。在沉淀反應中由與難溶物質具有共同離子的電解質存在,使難溶物質的溶解度降低的現象就稱為沉淀反應的同離子效應。例如在AgCl傯和溶液中加入NaCl,由于含有相同Cl-,使AgCl溶解度降低。同離子效應的存在可以在一定程度20%沉50%溶解損失。合理地利用同離子效應將沉淀劑過量(一般過量20%~50%)可增加沉淀的完全程度,

但如果過量的沉淀劑能與金屬離子形成絡合物,則會引起沉淀的溶解。在難溶電解質的飽和溶液中,加入其他某種強電解質,使難溶電解質的溶解度比相同溫度時在純水中的溶解度增大的現象稱為鹽效應。一般情況下,有同離子效應存在時,鹽效應也是共存的。當強電解質濃度大于0.05mol.L。1,同離子效應和鹽效應應同時考慮。

若溶液中存在絡合劑,它能使生成沉淀的離子形成絡合物。一般絡合物是不直接發生沉淀反應的,因此會使沉淀物的溶解度增大,甚至不產生沉淀,這種現象稱為絡合效應。直接沉淀法是將金屬鹽和堿直接加入到反應器內,在控制pH值、溫度、流量、攪拌速率、反應時間和陳化時間等條件下,使金屬鹽和堿之間發生沉淀反應。這種方法工藝簡單,易操作,能耗小,便于生產,但是在沉淀過程中容易生成細小的膠體顆粒過濾難以進行。另外由于合成材料中存在多種元素,如果條件控制不好,可能會造成沉淀元素分布不均勻。

(1)均勻沉淀法均勻沉淀法是利用某一化學反應使溶液中的構晶離子由溶液中緩慢均勻地釋放出來,通過控制溶液中沉淀劑濃度,保證溶液中的沉淀處于一種平衡狀態,從而均勻地析出。通常加入的沉液劑,不立刻與被沉淀組分發生反應,而是通過化學反應使沉淀劑在整個溶液中緩慢生成,克服了由外部向溶液中直接加入沉淀劑而造成沉淀劑的局部不均勻性。通常可以使用尿素作為沉淀劑,利用尿素在加熱條件下水解,緩慢釋放出NH,,NH。與H:O生成沆淀劑NH3‘H20,這種方法的優點是防止直接添加沉淀劑而造成局部不均勻。

(2)絡合沉淀法絡合沉淀法是建立在直接化學共沉淀法的基礎上,首先將M混合溶液先與絡合劑(如氨水、檸檬酸、乙二胺等)絡合形成絡合物,然后在堿的作用下,絡合物溶液中的M離子釋放出來形成沉淀。采用絡合沉淀法在一定程度上可降低結晶過程中的成核速率,提高樣品的堆積密度。

(3)控制結晶法以球形Ni(OH)2為例說明,將一定濃度的NiSO。溶液、一定濃度的NaOH溶液(包括絡合齊UNH,)連續輸入反應器中,反應液在充滿反應器后自然溢流排出。嚴格控制反應體系的溫度、pH值、固液比、金屬離子濃度、攪拌強度和流體力學條件,使Ni(OH):晶體的成核和生長速率保持合適的比例。在此條件下,從溶液中不斷析出的Ni(OH):即可經成核、長大、集聚和融合過程逐漸生長成具有一定粒度分布的球形顆粒。用容器接收溢流出的反應液,經固液分離、洗滌、干燥后得到球形Ni(OH):粉末。

上述工藝即為控制結晶工藝工藝參數對M(OH)2(M=Ni,Co,Mn)前驅體的成Nil/3Co,,,Mn,肥(OH):為例,討論合成過程中工藝參數對合成NCM茼驅體的影響因素。由于鎳鈷錳氫氧化物溶度積小,沉淀速率快,溶液過飽和度高,晶體成核快,容易形成膠體沉淀,形貌不易控制,而且Mn(OH):溶度積較另外兩種氫氧化物大兩個數量級,采用鎳鈷錳金屬鹽與堿直接反應難于合成具有球形形貌前驅體,實現均勻的共沉淀,因此在氫氧化物前驅體的合成時,需控制反應體系中沉淀離子的過飽和度、pH值、氨水濃度、溫度、攪拌速率等。

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