鈷是具有鋼灰色和金屬光澤的硬質金屬，鈷（Co）原子序數為27，位于元素周期表第八族，原子量為58.93，它的主要物理、化學參數與鐵、鎳接近，屬鐵族元素。鈷是一種高熔點和穩定性良好的磁性硬金屬。它是制造耐熱合金、硬質合金、防腐合金、磁性合金和各種鈷鹽的重要原料，廣泛用于航空、航天、電器、機械制造、化學和陶瓷工業。因此，它是一種重要的戰略物資。
鈷產業鏈主要由上游鈷礦石的開采、選礦，中游冶煉加工以及下游終端應用組成。下游消費方面，雖然鈷應用領域廣泛，高溫合金、硬質合金和磁性材料等領域都有鈷的身影，但有約60% 的鈷用在電池領域。
上游鈷礦：單獨鈷礦床一般分為砷化鈷礦床、硫化鈷礦床和鈷土礦礦床三類。鈷除單獨礦床外，大量分散在夕卡巖型鐵礦、釩鈦磁鐵礦、熱液多金屬礦、各種類型銅礦、沉積鈷錳礦、硫化銅鎳礦、硅酸鎳礦等礦床中，其品位雖低，但規模往往較大，是提取鈷的主要來源。我國鈷資源主要分布在甘肅、山東、云南、青海、河北及山西。
中游冶煉：鈷中游冶煉的一大特點是中游冶煉產品眾多，存在多條加工鏈條，如“鈷精礦-硫酸鈷 -四氧化三鈷”、“ 鈷精礦-氯化鈷-四氧化三鈷”、“鈷精礦-氯化鈷-碳酸鈷-四氧化三鈷”、“鈷精礦-氯化鈷-碳酸鈷-鈷粉”和“鈷精礦-氯化鈷-草酸鈷-鈷粉”等。這些鈷產品中，硫酸鈷和氯化鈷是重要的中間品。其中，硫酸鈷亦可直接應用于生產 3C 使用的鈷酸鋰電池。四氧化三鈷則是重要的偏下游產品主要用于鋰電池正極材料和磁性材料，用于新能源汽車的鋰動力電池 。
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鈷產品工藝流程圖
電池級氧化鈷主要用于鋰離子電池正極材料鈷酸鋰的生產,其性能對鈷酸鋰材料性能,繼而對電池的充放容量、使用壽命等有重要影響。用于電池的氧化鈷除了嚴格的化學成分要求外,對物理指標,特別是粒度組成與分布和松裝密度,有特別的要求。以碳酸鹽沉淀制備前驅體,氧化煅燒后制備氧化鈷的合成工藝為例：
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試驗結果表明，不同鈷量與碳酸鹽配比、晶型改變劑的選擇、溫度、反應時間、鈷溶液濃度等都會對碳酸鈷的粒度、形貌產生影響。除此之外，現有研究認為，鈷鹽前驅體顆粒形貌決定著鈷粉顆粒形貌，后者對前者有很大的依賴性和繼承性。
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圖一：碳酸鈷低倍（左）和高倍（右）表面形貌
掃描電鏡作為材料表征利器，可以很好的用來觀察碳酸鈷顆粒粒度和表面特征；如圖一所示，采用賽默飛Apreo2場發射掃描電鏡拍攝。
Apreo 2具有業內很強的低電壓超高分辨性能，分辨率可達到0.8nm（1kV），可以呈現材料表面的真實形貌襯度，同時兼具高質量成像和多功能分析性能于一體，是科研和生產質控必不可少的理想分析平臺。利用Apreo 2倉室內ETD探頭，統計碳酸鈷粒徑，并獲得其顆粒形態呈球形；同時在低電壓800V條件下，利用鏡筒內高分辨形貌探測器T2觀察到碳酸鈷表面呈不規則的臺階狀。
再經過高溫煅燒、干燥，即可獲得電池級氧化鈷原料。同樣利用Apreo 2進行觀察，發現氧化鈷粒徑大小近似于碳酸鈷，如圖二-a；進一步放大，其呈不規則分布，且表面光滑，如圖二-b；Apreo 2鏡筒內可同時放置3個探測器，再分別利用鏡筒內成分探測器T1和形貌探測器T2觀察樣品表面，如圖二-c和圖二-d，獲得氧化鈷成分分布和一次顆粒表面特征。
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圖二：不同探測下氧化鈷形貌特征圖
氧化鈷作為重要的原材料，主要用來合成電池正極材料鈷酸鋰。鈷酸鋰(LiCoO2)是開發較早的，應用很廣的正極材料，其具備生產工藝難度低、工作電壓高、釋放電流穩定、循環壽命長的優點，但在高電壓下LiCoO2晶格內部應力增大，引起結構坍塌和劇烈的界面副反應會導致電池性能不可逆惡化，因此需要對鈷酸鋰材料進行改性以提高其電化學性能。
表面包覆改性是通過表層包覆一層其他材料，從而能夠抑制材料表層產生缺陷，提高材料結構的穩定性，改善在高電壓下鈷酸鋰材料由于相變產生缺陷影響材料結構和電池性能的改性方法，其中大部分種類氧化物、各種導電石墨材料、無機酸鹽中的磷酸鹽和鈦酸鹽等都是被大量研究的包覆材料。
對于鈷酸鋰正極表面包覆物的觀察，是分析改性后材料性能優劣的重要方法。利用Apreo 2在低電壓下優異的表現能力，結合高靈敏度T1探測器，清晰觀察到顆粒表面的包覆物分布狀態，如下圖三；而T2探測器主要用于觀察顆粒表面形貌細節。
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圖三：鈷酸鋰成分分布（左）和形貌特征圖（右）
電池材料是鈷的主要消費材料之一，中國電池行業金屬鈷的消費量占中國金屬鈷總消費的60%左右。在電池材料生產中，用鈷量大的主要是鋰離子電池材料正極材料鈷酸鋰和三元材料，其他使用分別用在儲氫合金、球鎳等。雖然鈷酸鋰在電池行業正極材料中有被替代的風險，但是新能源汽車帶動鋰電池的需求增長和三元材料的使用，使鈷在鋰離子電池行業的需求量將會繼續上升。
參考文獻
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