具有成分梯度的材料基于气溶胶的高温合成制造技术

一种材料合成方法，其可包括：获得至少一种液态前体溶液，其包含一种或多于一种基于目标颗粒的原子化学计量确定的溶质；向雾化器设备中加入所述至少一种液态前体溶液；在雾化器设备处生成气溶胶；在预定时间内将气溶胶输送到预定温度的反应区；和通过在反应区中从气溶胶蒸发一种或多于一种溶剂来获得合成颗粒。胶蒸发一种或多于一种溶剂来获得合成颗粒。胶蒸发一种或多于一种溶剂来获得合成颗粒。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有成分梯度的材料基于气溶胶的高温合成
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请基于2019年3月12日提交的专利技术名称为“具有成分梯度的材料基于气溶胶的高温合成”的美国临时申请第62/817,453号并要求其优先权，其全部内容通过引用并入本文。


[0003]本专利技术涉及材料科学与工程领域，特别是涉及具有成分梯度的功能纳米颗粒的高温合成。

技术介绍

[0004]纳米结构材料如纳米颗粒和薄膜因其独特的性质而在能量相关应用和各种其他应用中具有重大作用。生产这样的应用中的材料的现有方法具有各种缺点。例如，可使用固态反应来生产用于热化学能量储存的金属氧化物或正硅酸锂颗粒，但颗粒尺寸和形状难以控制，并需要后续的研磨/洗涤步骤。可使用湿化学(共沉淀)方法来生产电池负极材料，但其加工时间非常长(24小时)并且会产生大量有毒废物。通常，合成的颗粒的粒度分布宽，因此需要分离/筛分(如通过空气喷射筛)，这会降低产品收率。此外，用上述方法产生的颗粒的颗粒尺寸一般为亚微米或更小，不太可能满足电池电极中对具有大于微米一次结构的颗粒的需要。最后，一些气溶胶技术如喷雾干燥或火焰喷雾使用高度稀释的前体溶液或昂贵的有机金属前体来实现颗粒尺寸控制，这会对大规模生产构成重大障碍。另外，火焰喷雾热解方法缺乏精确的温度和汽化控制，使得难以控制颗粒形态和颗粒内部的浓度分布。其他常规雾化技术需要高的雾化能量，并因其生产成本高而工业规模化前景不佳。
[0005]另外，对于现有的共沉淀方法，由于沉淀反应的化学平衡常数差异大，难以准确控制元素的少量添加。超过3种类型的离子也可能难以共沉淀。对于在溶液中需要一起共沉淀的重金属离子，离子的平衡常数需要相同，以使得离子可按特定的比例沉淀。然而，要使金属盐如硝酸盐(M(NO3)
x
.yH2O))、氯化盐(MCl
x
)、醋酸盐M(O2C2H3)
x
·
yH2O)等中的M元素以一定的比率沉淀，在溶液中这些金属盐的化学反应的平衡常数可能有很大差异。因此必须不断调整平衡，例如通过改变pH值、用不同的强度搅拌溶液、通过添加另外的配体(例如，NH3)来改变沉淀时间。因此，实际操作的控制可能非常困难，并且所需的相似的平衡常数可能非常难以实现。
[0006]在本公开中，提出了一种基于气溶胶的高温合成方法，其具有不受任何沉淀平衡常数限制的精确的温度、汽化和沉淀控制。该方法还可精确控制浓度为0.01％至10％的多种元素的掺杂。该方法可用于设计材料组成和结构以改善电化学性能、热稳定性和起火倾向，例如在锂离子电池的应用中的容量、库仑效率、倍率性能、循环寿命、氧从充电态的正极材料的释放和自燃。

技术实现思路

[0007]公开了用于合成多种材料(例如，电化学活性材料、热化学活性材料或光电活性材料)的系统和方法。所述材料可用于能量转换和储存以及催化化学合成。
[0008]根据本公开的一个方面，材料合成方法可包括：向雾化器设备中加入至少一种液态前体溶液；由雾化器设备生成包含液体液滴的气溶胶；将气溶胶输送到反应区以从气溶胶蒸发一种或多于一种溶剂；和收集所合成的颗粒。
[0009]根据另一个方面，材料合成系统可包括：雾化器设备，用于接收至少一种液态前体溶液以生成包含液体液滴的气溶胶；雾化器通道；和反应器。雾化器通道的第一端连接到雾化器设备，并且第二端连接到反应器。雾化器通道至少用于将气溶胶输送到反应器。反应器包括使用新型向内偏心剪切(IOS)喷射搅拌反应器(JSR)的温度受控反应区和用于从气溶胶蒸发一种或多于一种溶剂以获得合成颗粒的低温火焰如冷焰和暖焰。
[0010]根据本公开的另一个方面，材料合成方法可包括向雾化器设备中加入第一前体溶液以生成包含第一液体液滴的第一气溶胶，将第一气溶胶输送到反应区以从第一气溶胶蒸发一种或多于一种第一溶剂以获得具有第一粒度分布的第一合成颗粒，向雾化器设备中加入第二前体溶液以生成包含第二液体液滴的第二气溶胶，将第二气溶胶输送到反应区以从第二气溶胶蒸发一种或多于一种第二溶剂而获得具有第二粒度分布的第二合成颗粒。
[0011]根据本公开的另一个方面，材料合成方法可包括针对具有目标浓度梯度和/或精确掺杂的离子选择溶质和溶液，控制不同溶质在溶液中的溶解度以形成具有成分梯度的颗粒，和/或控制离子掺杂摩尔分数；通过使用气溶胶发生器如雾化器设备生成微气溶胶；将气溶胶输送到反应区以从气溶胶蒸发一种或多于一种溶剂；通过选择适宜的温度和汽化时间来控制气溶胶的汽化速率及溶质的扩散和沉淀速率；形成具有浓度梯度和/或精确离子掺杂的纳米材料；和收集所合成的颗粒。在一些实施方案中，具有浓度梯度的形成的离子掺杂，例如镧系离子或任何其他氧配位离子掺杂，可改善材料电化学性能和防火安全性，如在锂离子电池的应用中的容量、库仑效率、倍率性能、循环寿命、从充电态的正极材料的氧释放和自燃。
[0012]本公开提供了另一种材料合成方法。该方法可包括：获得至少一种液态前体溶液，其包含一种或多于一种基于目标颗粒的原子化学计量确定的溶质；向雾化器设备中加入至少一种液态前体溶液；在雾化器设备处生成气溶胶；在预定时间内将气溶胶输送到预定温度的反应区；和通过在反应区中从气溶胶蒸发一种或多于一种溶剂来获得合成颗粒。
[0013]本公开还提供了另一种材料合成系统。该系统可包括雾化器设备，所述雾化器设备配置为接收至少一种液态前体溶液并从所述至少一种液态前体生成气溶胶；和反应器，所述反应器包括：预热区和反应区。所述至少一种液态前体溶液可基于目标颗粒的原子化学计量包含一种或多于一种溶质。预热区配置为预热气溶胶；反应区配置为从气溶胶蒸发一种或多于一种溶剂而获得与目标颗粒一致的合成颗粒。
[0014]本文公开的系统和方法的这些及其他特征，以及结构的相关元件的操作方法和功能、部件的组合和制造的经济性，将在结合附图阅读以下描述后变得更显而易见，所有这些附图构成本说明书的一部分，其中相同的附图标记表示各个附图中相应的部分。然而，应明确理解，附图仅出于示意和描述的目的而非旨在作为对本专利技术的限制的定义。
[0015]所公开的系统和方法可用于设计具有从中心到表面的成分梯度的纳米材料和向
纳米材料中添加精确量的离子掺杂以改善纳米材料的性能和防火安全性。这样的材料的应用可以是用于电动汽车的锂离子电池的高镍正极、用于能量储存的热化学材料、催化剂和光子学。
附图说明
[0016]本技术的各种实施方案的某些特征将在说明书中具体阐述。参考以下详细描述和附图，将获得对本技术的特征和优点的更好理解，详细描述阐述了其中利用本专利技术的原理的示意性实施方案，而对于附图：
[0017]图1为流程图，示意了与本公开的各种实施方案一致的示例性材料合成方法。
[0018]图2A为与本公开的各种实施方案一致的示例性材料合成方法的图解说明。
[0019]图2B分别为与本公开的各种实施方案一致的材料合成程序和时间顺序(左)及通过使用不同的溶剂合成的示例性纳米颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种材料合成方法，包括：获得至少一种液态前体溶液，所述液态前体溶液包含基于目标颗粒的原子化学计量确定的一种或多于一种溶质；向雾化器设备中加入所述至少一种液态前体溶液；在雾化器设备处生成气溶胶；在预定时间内将气溶胶输送到预定温度的反应区；和通过在反应区中从气溶胶蒸发一种或多于一种溶剂来获得与目标颗粒一致的合成颗粒。2.根据权利要求1所述的方法，其中：所述至少一种液态前体溶液包含溶解或稀释在溶剂中的金属盐；所述一种或多于一种溶质包括所述金属盐；所述金属盐包括以下中的至少一种：碱金属、过渡金属、镧系金属或氧配位金属；溶剂包括以下中的至少一种：水、金属醇盐、一种或多于一种烃液体或一种或多于一种醇液体；和合成颗粒的中值尺寸随着液态前体溶液的摩尔浓度增加而增加。3.根据权利要求1所述的方法，其中：合成颗粒包含一种或多于一种从表面到中心具有均匀浓度梯度的元素。4.根据权利要求3所述的方法，其中：所述一种或多于一种溶质基于所述一种或多于一种溶质的溶解度确定；和浓度梯度至少取决于以下中的一个或多于一个：所述一种或多于一种溶质的溶解度、离子在所述至少一种液态前体溶液中的离子扩散速率、离子在所述至少一种液态前体溶液中的离子沉淀速率和所述至少一种液态前体溶液的溶剂蒸发速率。5.根据权利要求1所述的方法，其中合成颗粒被预定摩尔浓度的离子掺杂，其中预定摩尔浓度至少取决于所述一种或多于一种溶质中的每一种的溶解度。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述在预定时间内将气溶胶输送到预定温度的反应区包括：通过设定注入到反应区中的加热气体的温度、流速和方向的组合来设定反应区的环境。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括在将气溶胶输送到反应区之前：将气溶胶输送到预热区；和通过在50℃至500℃的温度下预热气溶胶来从气溶胶蒸发一种或多于一种溶剂中的至少一部分长达0.1秒至10秒。8.根据权利要求7所述的方法，其中：预热气溶胶包括用以下中的至少一种预热气溶胶：冷焰、暖焰、电加热、燃烧加热或与再循环的废气热交换。9.根据权利要求1所述的方法，其中：反应区包括以下中的至少一种：火焰加热、等离子体加热、炉加热、激光加热或电加热；反应区处于500℃至10000℃的温度和500毫巴至10巴的压力下；和在反应区中从气溶胶蒸发一种或多于一种溶剂包括从气溶胶蒸发一种或多于一种溶
剂长达0.1秒至10秒。10.根据权利要求9所述的方法，其中火焰包括以下中的一种或多于一种：温度高于1200℃的热焰、温度为800℃至1200...

【专利技术属性】
技术研发人员：琚诒光，杨小方，单景宁，
申请(专利权)人：希特纳诺有限公司，
类型：发明
国别省市：