基于Hencken平焰燃烧器的三元正极材料氧化物前驱体均匀温度场合成平台设计与表征

为解决镍钴锰三元氧化物前驱体(NCMO)传统湿法合成效率低、污染大及火焰合成温度场不均等问题，中国科学院研究人员设计了一种集成超声雾化与淬火系统的Hencken平焰燃烧器平台，实现了1–2 μm球形NCMO的高效可控合成，揭示了当量比(φ=0.6)和溶液浓度(1.0 mol/L)的关键影响，为锂离子电池高密度正极材料制备提供了新范式。

　　

在锂离子电池领域，镍钴锰(Ni-Co-Mn)三元正极材料(NCM)的商业化生产长期依赖湿法共沉淀制备的氢氧化物前驱体(NCMH)，但该工艺存在反应动力学缓慢、氨水污染严重以及前驱体振实密度低三大痛点。更令人困扰的是，当前通过氧化物前驱体(NCMO)路线制备NCM材料时，火焰合成设备普遍采用同轴流燃烧器，其温度场分布不均导致材料边界条件难以精确控制。这些技术瓶颈不仅制约着电池能量密度的提升，还使后续烧结过程中的氧分压(pO₂)调控缺乏科学依据——因为NCMO的化学式Ni_xCo_yMn_zO_m中氧指数m的模糊定义(如Ni_0.60Co_0.20Mn_0.20O_m中1<>

针对这些挑战，中国科学院的研究团队在《Progress in Natural Science: Materials International》发表论文，创新性地开发了基于Hencken平焰燃烧器的合成平台。该研究通过计算流体力学(CFD)模拟与三维热电偶测温系统验证，构建了具有一维均匀温度场的反应空间，结合超声雾化与快速淬火技术，实现了NCMO前驱体的毫米级瞬时合成。技术核心包括：毛细管-蜂窝通道阵列结构设计、VMQ密封系统、以及可调当量比(φ=0.5-1.0)的精密供气系统。

Hencken平焰燃烧器平台
燃烧器采用436根燃料毛细管阵列，配合蜂窝状氧化铝通道，在φ=0.6时形成稳定的平面扩散火焰。CFD模拟显示轴向温度梯度<5%，速度场均匀性达90%以上，彻底解决了传统同轴燃烧器存在的温度分层问题。

火焰稳定性与参数优化
当甲烷流量1.0-1.5 slm、φ=0.5-0.8时火焰形态最佳。实验发现φ>0.8会导致二次空气反应形成锥形火焰，而φ<0.5则引发火焰闪烁。1.0 mol/L前驱体溶液浓度可制备出单分散1-2 μm球形颗粒，较传统湿法工艺节水63%、减排56%。

氧化态表征
通过X射线光电子能谱(XPS)首次明确了NCM523/622/811的氧化态分布：Ni主要呈+2价，Co为+2/+3混合价态，Mn则以+4价为主。这一发现为后续烧结工艺中Li⁺/Ni²⁺位错抑制提供了关键参数。

该研究突破性地建立了火焰合成参数-材料性能的定量关系：当量比控制颗粒结晶度，溶液浓度决定粒径分布，而均匀温度场保障了元素(Ni/Co/Mn)的原子级均匀混合。所开发的平台不仅适用于NCMO，还可拓展至其他多元金属氧化物纳米颗粒的制备，为高性能电池材料的绿色制造提供了新思路。论文中展示的NCM811前驱体振实密度比传统NCMH提高23%，验证了氧化物路线在提升电池体积能量密度方面的独特优势。