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连续碳化电解制备三元前驱体及其氧化物的装置及应用

文献发布时间：2024-04-18 20:02:18

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种连续碳化电解制备三元前驱体及其氧化物的装置及应用。

背景技术

由于传统的化石能源日渐枯竭，且在使用过程中会对环境造成很大的影响。超级电容器的能量密度与功率密度介于电池与传统电容器之间，且兼具充放电速度快、效率高、使用寿命长、工作范围广、耐低温、对环境危害小等优点，作为储能器件具有良好的应用前景。超级电容器常用的电极材料有碳基材料、过渡金属材料、导电聚合物。碳基材料成本虽低，但由于能量密度低；导电聚合物循环稳定性差；因此过渡金属材料成为当前研究的热点。而轻稀土元素的掺杂可以提高三元正极材料的电子传导性能和离子扩散速率，从而提高超级电容器的容量。基于此问题，有必要开展了三元镍钴铁电极材料的研究。

中国专利CN113394381A公开了一种用于锂硫电池正极的层状双氢氧化物复合材料制备方法，将氯化物混合溶液转移至高压釜中在120℃下加热1h，离心收集产物，采用甲醇洗涤以除去残留离子，并冷冻干燥12h；中国专利CN103840133A公开了一种稀土掺杂的三元正极材料的制备方法。在球磨机中先加入碳酸锂粉体，然后加入稀土氧化物的酰胺类试剂溶液；接着加入三元前驱体，球磨90±30min。球磨后的物料经真空干燥后进行首次烧成；烧成后二次烧成分散处理后得到液相掺杂的稀土-三元材料粉体；再将其放入渗透炉中，在500-650℃的N

发明内容

针对现有三元过渡金属氧化物前驱体制备技术中存在的流程长、能耗高、污染严重等技术难题，本发明提出一种铁系元素氯化物连续碳化电解掺杂轻稀土制备FeCoNiRE

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种连续碳化电解制备三元前驱体及其氧化物的装置，采用此装置可以续碳化电解制备三元前驱体及其氧化物；同时煅烧所得CO

所述装置中不含搅拌搅拌装置。

所述装置包括阳极配料罐、阳极循环一号泵、阴极配料罐、阴极循环一号泵、电解槽、二氧化碳气罐、阳极液储存罐、阳极循环二号泵、阴极液储存罐、阴极循环二号泵、离心机、自动烘干装置、马弗炉、冷凝器、氯气干燥捕集装置、氢气干燥捕集装置、盐酸合成炉、流量计和金属离子检测仪；

所述连续碳化电解制备三元前驱体及其氧化物装置的应用，包括以下步骤：

步骤1.在阳极配料罐配制铁系元素氯化物水溶液，阴极配料罐配制氯化钠溶液；

步骤2.开启阳极循环一号泵和阴极循环一号泵，使配好的溶液分别对应流入阳极液储存罐和阴极液储存罐；

步骤3.开启阳极循环二号泵和阴极循环二号泵，使溶液从阳极液储存罐和阴极液储存罐分别流入电解槽进行连续碳化电解；其中，电解过程需向电解槽5阴极室内同步通入二氧化碳气体；

步骤4.退火处理；

步骤5.电解槽中，金属离子检测仪检测阳极电解液中铁系元素浓度不足初始浓度的一半时，在阳极配料罐中，重新加料；

步骤6.在阳极配料罐1中重新加料的同时，开启离心机，进行离心；

步骤7.开启自动烘干装置，待干燥完成后，进入马弗炉中进行煅烧，生成高纯FeCoNiRE

所述CO

所述步骤1中，所述铁系元素氯化物水溶液中，各个成分含量以质量百分比计分别为Fe：Co：Ni＝1:1:1，RE 0～0.5wt.％；所述氯化钠溶液浓度为0.03～1mol/L；

电解参数为：电流密度为0.03～1A/cm

所述步骤3中，溶液流入电解槽时需在各自流量计控制下进行，流量控制在1～10L/min。

所述步骤4中，退火温度为600～800℃；

所述步骤6中，离心机转速为8000～10000r/min；离心时间为10～20min。

所述步骤7中，自动烘干装置设置温度为60～80℃；干燥时间为12～24h；

煅烧过程中，煅烧温度为600℃，煅烧时间为2～4h；煅烧时，需冷凝分离物料因加热跑出的气态水和CO

所述Cl

与现有技术相比，本发明的优势在于：

(1)连续碳化电解工艺过程中无额外沉淀剂添加，无氨氮废水排放；

(2)碳化电解连续碳化电解过程中产生的氯气和氢气用来合成盐酸返回至氯化的车间；

(4)铁系前驱体经煅烧后可得新产品三元氧化物，释放出CO

(5)碳化电解过程中由于未引入其他杂质，产物纯度高；

(6)轻稀土元素的掺杂可以改善三元材料的晶格结构，减少充放电过程中的电阻，提高电极材料的能量密度；

(7)连续碳化电解工艺原料成本低廉、自动化程度高，最终可实现工业化生产。

(8)本发明以氯化铁、氯化镍、氯化钴、氯化轻稀土为原料，通过连续碳化电解装置，碳化电解制备碱式碳酸盐中间产物，中间产物经煅烧制备FeCoNiRE

附图说明

图1本发明铁系元素氯化物连续碳化电解掺杂轻稀土制备FeCoNiRE

其中，1-阳极配料罐；2-阳极循环一号泵；3-阴极配料罐；4-阴极循环一号泵；5-电解槽；6-二氧化碳气罐；7-阳极液储存罐；8-阳极循环二号泵；9-阴极液储存罐；10-阴极循环二号泵；11-离心机；12-自动烘干装置；13-马弗炉；14-二氧化碳回收罐；15-氯气干燥捕集装置；16-氢气干燥捕集装置；17-盐酸合成炉；18-流量计；19-金属离子检测仪。

具体实施方式

实施例1

一种连续碳化电解制备三元前驱体及其氧化物的装置，如图1所示，包括以下装置：阳极配料罐1、阳极循环一号泵2、阴极配料罐3、阴极循环一号泵4、电解槽5、二氧化碳气罐6、阳极液储存罐7、阳极循环二号泵8、阴极液储存罐9、阴极循环二号泵10、离心机11、自动烘干装置12、马弗炉13、冷凝器14、氯气干燥捕集装置15、氢气干燥捕集装置16、盐酸合成炉17、流量计18、金属离子检测仪19；

实验开始前在阳极配料罐1内配制氯化物水溶液和阴极配料罐3中配制少量NaCl溶液，然后开启阳极循环一号泵2和阴极循环一号泵4使配好的溶液流入阳极液储存罐7和阴极液储存罐9。溶液再通过阳极循环二号泵8和阴极循环二号泵10，在各自流量计18的控制下，流入电解槽5。在此碳化电解连续碳化电解过程需向阴极室内同步通入二氧化碳气体，二氧化碳气体直接通入阴极电解液产生碳酸；阳极M

实施例2

一种连续碳化电解制备三元前驱体及其氧化物的装置的应用，利用实例1所述装置进行。

对铁系元素氯化物水溶液(FeCl