[发明专利]一种电池原料四氧化三钴的制备

说明书

技术领域

本发明提供了一种电池原料四氧化三钴的制备方法，属于化学合成领域。

背景技术

Co₃O₄是一种黑色或灰黑色粉末，松装密度为0.5~1.5g/cm³，振实密度为2.0~3.0g/cm³。在900℃以上易失去O₂变成CoO，容易被C、CO、H₂还原成金属，不溶于水，可溶于酸。

Co₃O₄结晶属于立方晶系，具有较高的晶体场稳定化能，晶格常数α=8.11×10^-10m。Co₃O₄是一种具有特殊性能的功能性材料，是制备锂电池正极材料钴酸锂的主要原料。随着新能源汽车的开发，锂电池的需求量不断增加，电池级Co₃O₄粉末的需求量也在快速增长。虽然人们曾尝试使用廉价的锰酸锂来代替钴酸锂，但生产出的电池容量和重复充放电性能以及正负极材料的衰耗均远不如钴酸锂。

目前国内比较成熟的Co₃O₄生产工艺主要是以NH₄HCO₃或NaOH为沉淀剂，与CoCl₂液反应生成碱式碳酸钴或氢氧化钴沉淀，经过滤、洗涤、干燥后，在600~800℃高温条件下煅烧，得到Co₃O₄粉末。该生产工艺能耗较高，生产成本较大，生产现场粉尘大，室温较高，对工人的职业健康产生恶劣的影响。

发明内容

本发明主要解决的技术问题：针对目前传统煅烧法在制备Co₃O₄粉末的过程中，需要在高温条件下进行，能耗较高，生产现场粉尘较大，生产条件恶劣等问题，提供了一种采用价格低廉的络合剂柠檬酸与钴离子络合，使用NaOH溶液为沉淀剂得到Co(OH)₂沉淀悬浮液，再以十二烷基磺酸钠为表面活性剂，正丁醇为助表面活性剂，溶解于油性溶剂正己烷中，与上述悬浮液充分混合，平衡后形成上下两相，分离得上相油包水型微乳液，再加入Na₂O₂和干冰，在超声破乳的条件下，Na₂O₂使上相微乳液脱水的同时使Co(OH)₂氧化为Co₃O₄沉淀，而干冰的加入使溶液迅速降温并且与NaOH结合生成Na₂CO₃结晶，最后经离心分离，洗涤干燥后得到目标产物Co₃O₄粉末；该方法采用湿法冶炼，不会产生大量粉尘污染，而且不需要高温煅烧，大大节约了生产成本，产生的有机废水可用较成熟的生物降解法处理。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

（1）在5L烧杯中加入0.4~0.6L质量浓度为12~14g/LCoCl₂溶液，启动搅拌电机，调节搅拌速度为600~800r/min，在搅拌作用下用恒温水浴锅将CoCl₂溶液加热至40~50℃；

（2）称取柠檬酸0.4~0.6g，用研钵研碎后加入上述步骤1所得CoCl₂溶液中，同时量取0.09~0.11L摩尔浓度为0.9~1.1mol/L的NaOH溶液放于恒温水浴锅中预热至40~50℃后，加入上述步骤1的CoCl₂溶液中，调节搅拌转速为1500~3000r/min迅速搅拌10~15s；

（3）迅速搅拌10~15s后降低搅拌转速为600~800r/min，依次加入0.15~0.2L质量浓度为15~20%十二烷基苯磺酸钠正己烷溶液，0.1~0.15L正丁醇，水浴锅保持恒温不变，继续搅拌15~30min，静置直至混合液形成上下明显分层，分离，得上层油相；

（4）把所得上层油相放入密闭容器中，依次加入2~4gNa₂O₂，2~3g干冰，置于超声容器中超声10~15min，待超声结束，用离心机过滤分离，得滤渣，即为Co₃O₄湿料，用去离子水将所得Co₃O₄湿料洗涤3~5次；