陰極活性材料涂層的制作方法
【專利說明】陰極活性材料涂層
[0001]領(lǐng)域
[0002]本公開內(nèi)容的實(shí)施方式一般涉及高能電池。更特定言之，本文公開用于形成高能鋰電池的陰極活性材料的方法和裝置。
[0003]置量
[0004]快速充電、大容量能量存儲(chǔ)裝置(諸如超級(jí)電容器和鋰(Li)離子電池)用于越來越多的應(yīng)用中，包括便攜式電子設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、運(yùn)輸工具、并網(wǎng)大能量存儲(chǔ)裝置、可再生能源存儲(chǔ)裝置和不斷電供應(yīng)系統(tǒng)(UPS)。
[0005]現(xiàn)代的可充電能量存儲(chǔ)裝置一般包括陰極、陽極、設(shè)置于陰極與陽極之間的電解質(zhì)及分離陰極和陽極的隔板。在大多數(shù)市售的鋰離子電池中，陰極為金屬鋰離子源，通常為鋰過渡金屬氧化物，諸如1^1111204、1^(:002、1^祖02或附、1^111和Co氧化物的組合。陽極為金屬離子槽，例如石墨或硅。陰極和陽極兩者還包括非活性材料，諸如導(dǎo)電碳和聚合物粘合劑，以確保所述電極的良好的電子和機(jī)械性質(zhì)。隔板提供陰極與陽極之間的電子傳輸?shù)姆蛛x。在所有的部件之間，陰極活性材料影響可充電能量存儲(chǔ)裝置的多種參數(shù)，諸如充電/放電容量、速率性能、循環(huán)性能和安全性。
[0006]因此，需要用于形成具有改良性能的陰極活性材料的裝置和方法。
[0007]攝述
[0008]本文描述用于形成涂覆的陰極活性材料的裝置和方法。
[0009]本公開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施方式提供一種裝置，該裝置通過連續(xù)流程(continuousflow)形成陰極活性材料。該裝置包括混合單元，該混合單元生成前驅(qū)物混合物或前驅(qū)物溶液；合成單元，該合成單元耦接至該混合單元，以從該前驅(qū)物混合物或前驅(qū)物溶液合成陰極活性材料的粒子；冷卻單元，該冷卻單元親接至該合成單元的出口 ；傳送(transferring)通道，該傳送通道耦接至該冷卻單元的下游；收集單元，該收集單元連接至傳送通道，以用于收集陰極活性材料的粒子；和退火單元，該退火單元在該收集單元下游，以退火陰極活性材料的粒子。該裝置進(jìn)一步包括涂層源單元，該涂層源單元將涂層前驅(qū)物提供至該裝置，以在陰極活性材料的粒子上形成涂層。該涂層源單元設(shè)置于混合單元、合成單元、傳送通道、收集單元或退火單元處?；蛘撸?dú)立的涂覆單元親接在收集單元與退火單元之間，或該獨(dú)立的涂覆單元為單獨(dú)單元。
[0010]本公開內(nèi)容的另一實(shí)施方式提供一種用于形成陰極活性材料的方法。該方法包括以下步驟:形成包含金屬離子的前驅(qū)物混合物或前驅(qū)物溶液；合成前驅(qū)物混合物或前驅(qū)物溶液，以形成陰極活性材料的粒子；冷卻且傳送所述陰極活性材料的粒子至收集單元；將所述陰極活性材料的粒子收集在收集單元中，和退火所收集的陰極活性材料的粒子。該方法進(jìn)一步包括添加涂層前驅(qū)物，以在所述陰極活性材料的粒子上形成涂層。添加涂層前驅(qū)物的步驟在以下時(shí)間之一期間執(zhí)行:形成前驅(qū)物混合物或前驅(qū)物溶液；冷卻且傳送所述陰極活性材料的粒子；收集陰極活性材料的粒子；在收集所述陰極活性材料的粒子之后及退火所述陰極活性材料的粒子之前，退火所述陰極活性材料的粒子；和在退火所述陰極活性材料的粒子之后執(zhí)行。
[0011]附圖簡(jiǎn)要說明
[0012]可詳細(xì)理解本公開內(nèi)容的上述特征結(jié)構(gòu)的方式，即以上簡(jiǎn)要概述的本公開內(nèi)容的更特定描述可參閱實(shí)施方式進(jìn)行，其中一些實(shí)施方式在附圖中圖示，以便可詳細(xì)了解上文所述的本公開內(nèi)容的特征。然而，應(yīng)注意，附圖僅圖示本公開內(nèi)容的典型實(shí)施方式，且因?yàn)楸竟_內(nèi)容承認(rèn)其他同等有效的實(shí)施方式，所以所述附圖并不欲視為本公開內(nèi)容的范圍的限制。
[0013]圖1為根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施方式的用于形成陰極活性材料的系統(tǒng)的示意圖。
[0014]圖2A為根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施方式的用于形成具有涂層的陰極活性材料的方法的流程圖。
[0015]圖2B為根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施方式的用于形成具有涂層的陰極活性材料的方法的流程圖。
[0016]圖2C為根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施方式的用于形成具有涂層的陰極活性材料的方法的流程圖。
[0017]圖2D為根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施方式的用于形成具有涂層的陰極活性材料的方法的流程圖。
[0018]圖2E為根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施方式的用于形成具有涂層的陰極活性材料的方法的流程圖。
[0019]圖2F為根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施方式的用于形成具有涂層的陰極活性材料的方法的流程圖。
[0020]圖3示意性地圖示根據(jù)圖2B中所示的方法的用于涂覆陰極活性材料的反應(yīng)。
[0021]圖4A為一圖表，該圖表圖不具有多種陰極活性材料的電池的第一次循環(huán)充電/放電曲線。
[0022]圖4B為一圖表，該圖表圖示具有多種陰極活性材料的電池的第二次循環(huán)充電/放電曲線。
[0023]圖4C為一圖表，該圖表圖不具有多種陰極活性材料的電池的循環(huán)性能。
[0024]為便于理解，在適用之處，相同標(biāo)號(hào)已用于指定諸圖共有的相同元件。意欲在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中所公開的元件可有利地用于其它實(shí)施方式而無需敘述。
[0025]具體描沐
[0026]本公開內(nèi)容的實(shí)施方式涉及用于形成快速充電大容量能量存儲(chǔ)裝置的陰極活性材料的裝置和方法。更特定言之，本公開內(nèi)容的實(shí)施方式涉及用于形成具有薄保護(hù)涂層的陰極活性材料的粒子的裝置和方法。該薄保護(hù)涂層改良該陰極活性材料的循環(huán)和安全性能?？稍陉帢O活性材料的粒子形成期間的多種階段添加涂層前驅(qū)物。該化學(xué)物薄層可為完整涂層或部分涂層。該涂層可包括化學(xué)物薄層(諸如氧化物薄層)，以改良該陰極活性材料的循環(huán)性能和安全性能。
[0027]圖1為根據(jù)根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施方式的用于形成陰極活性材料的系統(tǒng)100的示意圖。根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方式，系統(tǒng)100經(jīng)配置以使用受控的連續(xù)流程方法合成陰極活性材料或其他的固體材料的粒子。
[0028]系統(tǒng)100可包括混合單元110，該混合單元110配置為生成用于待生產(chǎn)的固體材料的前驅(qū)物溶液或前驅(qū)物混合物。系統(tǒng)100還可包括耦接至混合單元110的下游的合成單元120。合成單元120配置為合成前驅(qū)物溶液或前驅(qū)物混合物，以形成固體材料的粒子，諸如陰極活性材料的粒子。合成單元120可包括液滴產(chǎn)生器112、烘干機(jī)114和反應(yīng)器116。液滴產(chǎn)生器112用于生成液滴，該液滴用于生產(chǎn)粉末狀材料，該液滴產(chǎn)生器連接至混合單元110的下游。烘干機(jī)114和反應(yīng)器116連接至液滴產(chǎn)生器112的下游。烘干機(jī)114和反應(yīng)器116提供用于將液滴轉(zhuǎn)換為固體粒子的多級(jí)高溫反應(yīng)器。冷卻單元130和傳送通道134將烘干機(jī)114和反應(yīng)器116連接至用于收集合成粒子的收集單元140。系統(tǒng)100還可包括退火單元150，以用于在封裝之前進(jìn)行熱處理。退火單元150可連接至收集單元140。
[0029]在操作期間，前驅(qū)物流從混合單元110流至液滴產(chǎn)生器112。液滴產(chǎn)生器112可設(shè)置于烘干機(jī)114內(nèi)或耦接至烘干機(jī)114。從液滴產(chǎn)生器112將前驅(qū)物分散進(jìn)入烘干機(jī)114，且流動(dòng)穿過烘干機(jī)114進(jìn)入連接于烘干機(jī)114下游的反應(yīng)器116中。前驅(qū)物流流出反應(yīng)器116至冷卻單元130，隨后穿過傳送通道134至收集單元140，且隨后到達(dá)退火單元150，該退火單元150有選擇地親接至收集單元140，在收集單元140處形成固體材料的最終產(chǎn)物。
[0030]本公開內(nèi)容的實(shí)施方式還包括涂層源單元，該涂層源單元用于在制造工藝期間將涂層材料(諸如陰極活性材料)引入至固體材料。如圖1所示，涂層源單元可定位于連續(xù)流程工藝的多個(gè)階段中。舉例而言，涂層源單元170A可耦接至混合單元110，以形成包含涂層前驅(qū)物的前驅(qū)物混合物，以便在烘干機(jī)114和反應(yīng)器116中合成具有涂層材料的粒子。或者，涂層源單元170B可耦接至冷卻單元130的下游，以將涂層液體或氣體引入至經(jīng)冷卻和合成的固體材料?；蛘?，涂層源單元170C可耦接至收集單元140，以在收集工藝期間將涂層材料添加至經(jīng)合成固體材料?；蛘撸扛苍磫卧?70D可親接至退火單元150，以在退火期間引入該涂層材料?；蛘?，系統(tǒng)100可包括獨(dú)立涂覆站160A，該涂覆站160A設(shè)置于收集單元140與退火單元150之間，以單獨(dú)執(zhí)行涂覆功能。獨(dú)立涂覆站160A可包括涂層源單元170E，以將涂層溶液引入至經(jīng)合成和收集的固體材料?；蛘?，在退火工藝之后，系統(tǒng)100可包括單獨(dú)涂覆站160B。單獨(dú)涂覆站160B可包括涂層源單元170E，以將涂層溶液引入至所退火的固體材料。
[0031]混合單元110配置為生成包括用于待生產(chǎn)的固體材料的前驅(qū)物的溶液或漿料。混合單元110可包括混料機(jī)101、用于將一或更多固體前驅(qū)物供應(yīng)至混料機(jī)101的前驅(qū)物源102和用于將溶劑或液體基料供應(yīng)至混料機(jī)101的溶劑/液體基料源103。容器104可連接至混料機(jī)101，以存儲(chǔ)制備的溶液或漿料。在一個(gè)實(shí)施方式中，涂層源單元170A耦接至混料機(jī)101，以將涂料供應(yīng)至混料機(jī)101。
[0032]為制造陰極活性材料，前驅(qū)物源102可包括包含金屬離子(諸如鋰、鎳、鈷、鐵、錳、釩和鎂離子)的前驅(qū)物。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，使用鋰、鎳、錳、和鐵。金屬離子可為鹽形式，該鹽具有在產(chǎn)出反應(yīng)物質(zhì)的適當(dāng)條件下可分解的陰離子。所述陰離子包括無機(jī)陰離子，諸如硝酸根、亞硝酸根、磷酸根、亞磷酸根、膦酸酯、硫酸根、亞硫酸根、磺酸根、碳酸根、碳酸氫根、硼酸根及以上各者的混合物或組合。也可使用有機(jī)離子代替無機(jī)離子或與無機(jī)陰離子組合使用，所述有機(jī)離子諸如醋酸根、草酸根、檸檬酸根、酒石酸根、順丁烯二酸根、乙酸根、丁酸根、丙烯酸根、苯