具有辅助气体流的处理系统与方法技术方案

提供一种生产产品材料的处理系统和方法。该处理系统包括连接到一个系统入口，该系统入口连接到一个或多个气体管线，所述的一个或多个气体管线将一种或多种气体输送到处理系统中、一个缓冲室、一个分散室、一个加热组件、一个反应室和一个用于将产品材料输送出处理系统的系统出口。该方法包括：经由系统入口将一种或多种气体输送到处理系统的缓冲室中、使用一个或多个动力喷射模块将液体混合物喷射到处理系统中的一个或多个液滴流中、通过一个加热组件、将一个或多个的加热气体流输送到处理系统中、形成反应混合物，并将反应混合物在反应室中的反应温度下加工成产品材料。应室中的反应温度下加工成产品材料。应室中的反应温度下加工成产品材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有辅助气体流的处理系统与方法
[0001]相关申请的关联引用
[0002]本申请要求享有2019年6月28日提交的、序号为62/868,843的美国临时专利申请的优先权，和2020年6月28日提交的、序号为16/914,458的美非临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合于本申请中。


[0003]本专利技术总体上涉及用于电池应用的材料的制备。更具体地说，本专利技术涉及制造用于二次电池的结构化阴极或阳极活性材料的方法和系统。

技术介绍

[0004]已进行了大量努力来研发先进的电化学电池单元(battery cells)，以满足在高能量密度、高动力性能、高容量、长循环周期、低价和卓越的安全性方面，各种消费者电子产品、电动运输工具和电网能量储存应用的逐渐增长的需求。在大多数情况下，需要微型化、轻便并且可充电(由此可重复使用)的电池，以节省空间和材料资源。
[0005]在电化学活性电池单元中，阴极和阳极浸入电解液，并且通过分离器来在电学上分开。分离器通常由多孔的聚合物膜材料构成，以使得在电池充电和放电期间，从电极释放到电解液中的金属离子可以通过分离器的孔扩散，并且在阴极和阳极之间迁移。电池单元的类型通常根据在其阴极和阳极电极之间运输的金属离子来命名。多年以来，商业上已开发出了多种可充电的二次电池，例如镍镉电池、镍氢电池、铅酸电池、锂离子电池和锂离子聚合物电池等。为了在商业上使用，可充电的二次电池要求是高能量密度、高动力性能和安全的。然而，在能量密度和动力性能之间存在一定的取舍。
[0006]锂离子电池是在20世纪90年代早期研发出来的一种二次电池。与其他二次电池相比，它具有高能量密度、长循环周期、没有记忆效应、低自放电率和环境友好性的优点。锂离子电池很快地被接受，并且主宰了商业二次电池市场。然而，商业生产多种锂离子电池的材料的成本远高于其他类型的二次电池的成本。
[0007]在锂离子电池中，电解液主要由有机溶剂(例如碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯)中的锂盐(例如LiPF6、LiBF4或LiClO4)构成，以使得锂离子可以在其中自由移动。通常，分别使用铝箔(例如15～20微米厚)和铜箔(例如8～15微米厚)作为阴极电极和阳极电极的集电器。对于阳极，常常使用微米级石墨(具有大约330mAh/g的可逆的容量)作为覆盖阳极集电器的活性材料。石墨材料常常由固态工艺来制备，例如在无氧气、极高的温度下研磨并热解(例如在约3000℃下石墨化)。至于活性阴极材料，多年来，已研发出了不同晶体结构和容量的多种固体材料。好的阴极活性材料的例子包括纳米级或微米级的锂过渡金属氧化物材料和锂离子磷酸盐等。
[0008]阴极活性材料是锂离子电池中最贵的组件，并且在相对大的程度上，决定了锂电池单元的能量密度、循环周期、生产成本和安全性。当锂电池被初次商业化时，锂钴氧化物(LiCoO2)材料被用作阴极材料，并且在阴离子活性材料市场上它仍然占有显著的市场份
额。然而，钴是有毒且昂贵的。其他锂过渡金属氧化物材料，例如分层结构的LiMeO2(其中金属Me＝Ni、Mn、Co等；例如LiNi
0.33
Mn
0.33
Co
0.33
O2，其可逆/实际容量约为140～150mAh/g)、尖晶石结构的LiMn2O4(其可逆/实际容量约为110～120mAh/g)和橄榄树型锂金属磷酸盐(例如LiFePO4，其可逆/实际容量约为140～150mAh/g)近来被研发为活性阴离子材料。当用作阴离子材料时，尖晶石结构的LiMn2O4材料表现出差的电池循环周期，而橄榄树型LiFePO4材料遭受低的能力密度和差的低温性能。至于LiMeO2材料，虽然其电化学性能较好，可是LiMeO2的现有制备工艺会主要得到团块，使得大多数LiMeO2材料的电极密度比LiCoO2低。无论如何，制备电池应用材料(尤其是阴极活性材料)的现有工艺过于昂贵，因为大部分工艺都消耗太多时间和能源，并且现有材料的质量仍不一致，并且产量低。
[0009]常规的材料制备工艺例如固态反应(例如混合固体前驱体，然后煅烧)和湿法化学工艺(例如在溶液中通过共沉淀、溶胶
‑
凝胶或者水热反应等处理前驱体，然后进行混合和煅烧)在生产纳米或微米结构的材料上面临显著的挑战。很难以所需的颗粒大小、形态、晶体结构、颗粒形状甚至化学计量比来一致地生产均一固体材料(即颗粒和粉末)。为了完全反应、同构型和晶粒生长，大多数常规的固态反应需要长的煅烧时间(例如4
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20小时)和额外的退火过程。例如，通过固态反应制得的尖晶石结构的LiMn2O4和橄榄树型LiFePO4材料需要至少几个小时的煅烧和分开的加热后退火过程(例如24小时)，并且仍然显示出差的质量一致性。固态反应的一个内在的问题是在煅烧炉内存在温度和化学物质(例如O2)梯度，这限制了最终成品的性能、一致性和总体质量。
[0010]另一方面，在低温进行的湿法化学工艺通常涉及较快的化学反应，但是之后仍然需要分开的高温煅烧过程乃至额外的退火过程。此外，在湿法化学工艺中所需的化学添加剂、胶凝剂和表面活性剂将增加材料生产成本(购买额外的化学物质并调节特定的工艺顺序、速率、pH和温度)，并且可能干扰由此生产的活性材料的最终组成(因此通常需要额外的步骤来去除不想要的化学物质或过滤产物)。此外，通过湿法化学生产的产品粉末的初级颗粒的大小非常小，并且易于团结成不合需要的大尺寸的二级颗粒，从而影响能量存储密度。另外，由此生产的粉末颗粒的形态常常表现出不合需要的无定形团聚体、多空团聚体、线状体、杆状体、片状体等。允许高的存储密度的均一的颗粒大小和形态是可取的。
[0011]锂钴氧化物(LiCoO2)材料的合成相对简单，包括混合锂盐(例如具有所需颗粒大小的氧化钴(Co3O4)的氢氧化锂(LiOH)或碳酸锂(Li2CO3)，然后在炉内在非常高的温度下长时间(例如900℃下20小时)煅烧，以确保锂金属扩散到氧化钴的晶体结构中以形成分层晶体结构的LiCoO2粉末的合适的最终产物。此方法不适用于LiMeO2，因为如果直接混合并使其过渡金属氧化物或盐反应(固态煅烧)，过渡金属例如Ni、Mn和Co不能很好地扩散到彼此之中形成均一混合的过渡金属层。因此，在制备最终的活性阴离子材料(例如锂NiMnCo过渡金属氧化物(LiMeO2))前，常规的LiMeO2制备工艺需要购买或从共沉淀湿法化学工艺来制备过渡金属氢氧化物前驱体化合物(例如Me(OH)2，Me＝Ni、Mn、Co等)。
[0012]由于这些Ni(OH)2、Co(OH)2和Mn(OH)2前驱体化合物的水溶性不同，并且它们通常在不同的浓度下沉淀，因此必须控制这些前驱体化合物的混合溶液的pH值，必须缓慢地以小份形式地添加氨水(NH3)或其他添加剂，以确保镍(Ni)、锰(Mn)和钴(Co)可以一起共沉淀来形成微米级镍
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锰
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钴氢氧化物(NMC(OH)2)二级颗粒。该共沉淀的(NMC(OH)2)二级颗粒通常是纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种生产产品材料的处理系统，包括：一个或多个第一气体管线；一个系统入口，该系统入口连接到所述一个或多个第一气体管线，将一个或多个第一气气体流输送到所述处理系统中；一或多个动力喷射模块，用于将液体混合物喷射到一个或多个液滴流中，并将所述一个或多个液滴流喷射到所述处理系统中；一个反应室，用于将反应混合物加工成所述产品材料；和一个加热组件，包括：一个第二气体管线，所述第二气体管线连接至所述反应室的腔室壁的开口，用于将一种或多种第二气体流输送到所述反应室中；和一个气体输送组件，其连接到所述第二气体管线并置于所述反应室内，其中所述反应混合物包括：一种或多种第一气体流；所述一种或多种第二气体流；和所述一个或多个液滴流。2.根据权利要求1所述的处理系统，将所述加热组件的所述气体输送组件朝上置于所述反应室内部。3.根据权利要求1所述的处理系统，还包括一个分散室，所述分散室适用于连接至所述一个或多个动力喷射模块，并将所述一个或多个液滴流分散到所述一种或多种第一气体流中，形成气液混合物。4.根据权利要求3所述的处理系统，其中所述一种或多种第一气体流和所述一个或多个液滴流以在零度和180度之间的分散角(α)彼此相遇。5.根据权利要求3所述的处理系统，其中所述气体输送组件置于所述反应室内以达到所述反应室内的进入区域，所述进入区域连接至所述处理系统的所述分散室。6.根据权利要求3所述的处理系统，其中所述一种或多种第二气体流由所述气体输送组件输送，与所述一个或多个气液混合物，以在零度和180度之间的分散角(β)在所述反应室内彼此相遇混和。7.根据权利要求6所述的处理系统，其中所述分散角(β)为180度。8.根据权利要求3所述的处理系统，还包括一个缓冲室，所述缓冲室适用于将所述一种或多种第一气体流从所述系统入口输送至所述分散室。9.根据权利要求8所述的处理系统，其中所述缓冲室包括气体分流器，所述气体分流器具有一个或多个通道，用于将所述一种或多种第一气体流输送到一种或多种均匀的气体流中，并且其中所述气体分流器的形状符合所述缓冲室中腔室壁的内周长。10.根据权利要求1所述的处理系统，其中所述处理系统还包括一个电子控制中心。11.根据权利要求1所述的处理系统，其中透过所述一个或多个第一气体管线输送的一种或多种第一气体流保持在第一温度，并且透过加热组件的气体输送组件所输送的一种或多种第二气体流保持在第二温度，并且其中第二温度高于第一温度。12.根据权利要求11所述的处理系统，其中所述第一温度保持在20℃至400℃之间的温度。
13.根据权利要求11所述的处理系统，其中所述第二温度保持在100℃至1400℃之间的温度。14.一种生产产品材料的处理系统，包括：一个或多个第一气体管线；一个系统入口，该系统入口连接到所述一个或多个第一气体管线，将一种或多种第一气气体流输送到处理系统中；一个或多个动力喷射模块，适于将液体混合物喷射到一个或多个液滴流中，并将所述一个或多个液滴流喷射到所述处理系统中；一个分散室适用于连接至所述一个或多个动力喷射模块，并将所述一个或多个液滴流分散到所述一种或多种第一气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：王焱，杨录，陈良毓，
申请(专利权)人：壹久公司，
类型：发明
国别省市：