用于电池的生产锂钴氧化物材料的材料和方法技术

提供了掺杂有化学式为LixCoyOz(doped Me1

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电池的生产锂钴氧化物材料的材料和方法
[0001]相关申请的关联引用
[0002]本申请要求享有2020年9月18日提交的、序号为63/080,023的美国临时专利申请的优先权，和2021年9月17日提交的、序号为17/478,869的美国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。

技术介绍

[0003]已进行了大量努力来研发先进的电化学电池单元，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。因此，对更有效地利用可用能源以及空气质量控制的需求引起了人们对开发用于电动汽车的先进高能量密度电池的极大兴趣。此外，成本效益、较长的循环寿命、稳定性、可充电性和更好的安全特性是推动电池市场的其他因素。
[0004]在电化学活性电池单元中，正极和负极浸入电解质中并通过隔板进行电子分离。隔膜通常由多孔聚合物膜材料制成，使得从电极释放到电解质中的金属离子可以通过隔膜的孔扩散并在电池充电和放电期间在正极和负极之间迁移。电池的类型通常是根据其正极和负极之间传输的金属离子来命名的。锂离子电池是1990年代初开发的二次电池，代表了新一代轻量、紧凑、高能量的电源。然而，商业化制造各种锂电池材料的成本远高于其他类型的二次电池。
[0005]正极活性材料是锂离子电池中最昂贵的成分，并且在较大程度上决定了锂电池单元的能量密度、循环寿命、制造成本和安全性。良好的正极活性材料的例子包括纳米或微米尺寸的锂过渡金属氧化物材料和锂离子磷酸盐等。当锂电池首次商业化时，锂钴氧化物(LiCoO2)材料被用作正极材料。而LiCoO2的理论容量约为274
‑
275mAh/g，以4.2V为上限电压时LiCoO2的容量约为150mAh/g。
[0006]为了进一步提高LiCoO2的电池性能，可以提高充电截止电压以提取更多的Li+。然而，传统的材料制造工艺，如固态反应(例如，混合固体前驱体然后煅烧)和湿化学工艺(例如，通过共沉淀、溶胶
‑
凝胶或水热反应等处理溶液中的前驱体，然后混合和煅烧)在提高LiCoO2在高压下的循环稳定性方面存在显著挑战。由于对LiCoO2材料施加了高电压，因此难以在工业规模水平上始终如一地生产具有高稳定性和长电池寿命周期的特性的LiCoO2。
[0007]此外，固态扩散速率影响由这些氧化锂材料制成的所得电池在需要高功率电池的应用中的性能。总体而言，这种固态多步骤批量制造工艺的处理时间将长达一周，因此非常耗费人力和能源。批处理还增加了引入杂质的机会，这些杂质具有较差的运行质量一致性和较低的总产量。具体而言，共沉淀不适用于制备这些含锂过渡金属氧化物电池材料的高纯度、准确的化学计量相。
[0008]因此，需要一种改进的方法和系统来制造用于锂离子电池(LIB)电池的高功率性能、高容量、长循环寿命、优异稳定性、适当结晶、结构化的锂金属氧化物活性材料在高压和高温下。

技术实现思路

[0009]本专利技术实施例总体上提供了锂离子电池材料及其锂离子电池材料的制备方法。本专利技术的一个实施例提供了一种氧化物材料，例如掺杂有至少一种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料(LixCoyOz
·
doped Me
a
)，其中x为0.9至1.1(0.9≤x≤1.1)，y为从0.9至1.1(0.9≤y≤1.1)，z从1.8至2.2(1.8≤z≤2.2)，并且0＜a≤0.05。该材料可以从一种方法获得，该方法包括形成包含含锂盐、含钴盐和至少一种含金属掺杂剂的盐的液体混合物的雾，将液体混合物的雾与气体流以形成气
‑
液混合物，其中液体混合物可溶于合适的溶剂，干燥气
‑
液混合物以形成气
‑
固混合物，将气
‑
固混合物分离成一种或多种固体颗粒氧化物材料；将所述氧化物材料的一种或多种固体颗粒在400℃或更高的退火温度下进行退火，得到掺杂有至少一种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料的结晶颗粒(LixCoyOz
·
doped Me
a
)。在一个实施例中，掺杂有至少一种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料(LixCoyOz
·
doped Me
a
)是透过将液体混合物中的含锂盐、含钴盐和至少一种含金属掺杂剂的盐的摩尔比M
LiSalt
:M
CoSalt
:M
MeSalt
调整为大约x:y:a用于使锂钴氧化物材料以理想的Li:Co:Me原子比等于x:y:a。例如，含锂盐和含钴盐的摩尔比M
LiSalt
:M
CoSalt
:M
MeSalt
在形成液体混合物的雾之前进行调整。作为另一示例，含锂盐、含钴盐和至少一种含金属掺杂剂的盐的摩尔比M
LiSalt
:M
CoSalt
:M
MeSalt
可以在形成液体混合物的雾的同时进行调整。
[0010]本专利技术的另一个实施例提供了一种掺杂有一种或多种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料LixCoyOz
·
doped Me1
a
,Me2
b
,Me3
c
,
…
,MeN
n
)，其中x为0.9至1.1(0.9≤x≤1.1)，y为0.9至1.1(0.9≤y≤1.1)，z为1.8至2.2(1.8≤z≤2.2)，其中N≥1，a,b,c,...,n均大于0且不超过0.05。掺杂一种或多种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料由以下工艺获得，该工艺包括调整含锂盐、含钴盐以及一种或多种含金属掺杂剂盐的摩尔比M
LiSalt
:M
CoSalt
:M
Me1Salt
:M
Me2Salt
:M
Me3Salt
:
…
M
MeNSalt
，其可溶于合适的溶剂成液体混合物，其中所述一种或多种含金属掺杂剂的盐中的每一种选自第一含金属盐、第二含金属盐、第三种含金属盐、
……
第N含金属盐及其组合，并形成液体混合物的雾。该方法进一步包括将液体混合物的雾与气体流混合以形成气
‑
液混合物，将气
‑
液混合物干燥以形成气
‑
固混合物，将气
‑
固混合物分离成一种或多种固体颗粒氧化物材料；将所述氧化物材料的一种或多种固体颗粒在400℃或更高的退火温度下退火，得到掺杂一种或多种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料的结晶颗粒。
[0011]本专利技术的另一个实施例提供了一种掺杂有至少一种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料(LixCoyOz
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doped Me
a
)，其中x为0.9至1.1(0.9≤x≤1.1)，y为0.9至1.1(0.9≤y≤1.1)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】1.一种氧化物材料，包括：一种掺杂有至少一种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料(Li
x
Co
y
O
z
·
doped Me
a
)，其中x为0.9至1.1(0.9≤x≤1.1)，y为0.9至1.1(0.9≤y≤1.1)，z为1.8至2.2(1.8≤n≤2.2)，其中0＜a≤0.05，并且从包括以下过程的一过程中获得：形成一种液体混合物的一种雾，其中所述液体混合物包括：一含锂盐；一含钴盐；和至少一种含金属掺杂剂的盐；将所述液体混合物的所述雾与第一气体流混合以形成一种气液混合物；干燥所述气液混合物，形成一种气固混合物；将所述气固混合物分离成一种氧化物材料的一个或多个固体颗粒；和将所述氧化物材料的所述固体颗粒在400℃或更高的退火温度下退火，以获得所述掺杂有至少一种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料的结晶颗粒(Li
x
Co
y
O
z
·
doped Me
a
)。2.根据请求项1所述的氧化物材料，其中所述含锂盐选自硫酸锂(Li2SO4)、硝酸锂(LiNO3)、碳酸锂(Li2CO3)、乙酸锂(LiCH2COO)、氢氧化锂(LiOH)、甲酸锂(LiCHO2)、氯化锂(LiCl)及其组合。3.根据请求项1所述的氧化物材料，其中所述含钴盐选自硫酸钴(CoSO4)、硝酸钴(Co(NO3)2)、乙酸钴(Co(CH2COO)2)、甲酸钴(Co(CHO2)2)、氯化钴(CoCl2)及其组合。4.根据请求项1所述的氧化物材料，其中，所述至少一种金属掺杂剂选自Al、Mg、Mn、Zr、Zn、Nb、La、Ce、Sn、Ga、Ba、Ac、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Fe、Cu、B、Ge、As、Hf、Mo、W、Re、Ru、Rh、Pt、Ag、Os、Ir、Au及其组合。5.根据请求项1所述的氧化物材料，其特征在于，所述至少一种含金属掺杂剂的盐选自硝酸镁Mg(NO3)2、乙酸镁(MgAc、Mg(CH3COO)2)、氯化镁(MgCl2)、硫酸镁(MgSO4)、甲酸镁(C2H2MgO4)、硝酸铝(Al(NO3)3)、醋酸铝(AlAc、C6H9AlO6)、氯化铝(AlCl3)、硫酸铝(Al2(SO4)3)、甲酸铝(Al(HCOO)3)、硫酸锰(MnSO4)、硝酸锰(Mn(NO3)2)、乙酸锰(Mn(CH2COO)2)、甲酸锰(Mn(CHO2)2)、氯化锰(MnCl2)、硝酸锆(Zr(NO3)4)、醋酸锆(C8H
12
O8Zr)、氯化锆(ZrCl4)、硫酸锆(Zr(SO4)2)、甲酸锆(C4H4O8Zr)、硫酸镍(NiSO4)、硝酸镍(Ni(NO3)2)、乙酸镍(Ni(CH2COO)2)、甲酸镍(Ni(CHO2)2)、氯化镍(NiCl2)、硝酸氧钛(TiO(NO3)2)、含镁(Mg)化合物、含铝(Al)化合物、含钛(Ti)化合物、含钠(Na)化合物、含钾(K)化合物、含钪(Sc)化合物、含铌(Nb)化合物、含钕(Nd)化合物、含镧(La)化合物、含铈(Ce)化合物、含硅(Si)化合物、含铷(Rb)化合物、含钒(V)化合物、含铯(Cs)化合物、含铬(Cr)化合物、含铜(Cu)化合物、含镁(Mg)化合物、含锰(Mn)化合物、含锆(Zr)化合物、含锌(Zn)化合物、含锡(Sn)化合物、含镓(Ga)化合物、含钡(Ba)化合物、含锕(Ac)化合物、含钙(Ca)化合物、含铁(Fe)化合物、含硼(B)化合物、含锗(Ge)化合物、含砷(As)化合物、含铪(Hf)化合物、含钼(Mo)化合物、含钨(W)化合物、含铼(Re)化合物、含钌(Ru)化合物、含铑(Rh)化合物、含铂(Pt)化合物、含银(Ag)化合物、含锇(Os)化合物、含铱(Ir)化合物、含金(Au)的化合物。6.根据请求项1所述的氧化物材料，其中，所述掺杂有至少一种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料的结晶颗粒(Li
x
Co
y
O
z
·
doped Me
a
)是透过调整所述液体混合物中的所述含锂盐、所述含钴盐和至少一种含金属掺杂剂的盐的摩尔比M
LiSalt
:M
CoSalt
:M
MeSalt
为x:y:z的比例得到，
所制造出的所述掺杂有至少一种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料，其Li:Co:Me的欲得原子比等于x:y:a。7.根据请求项6所述的氧化物材料，其中在形成所述液体混合物的所述雾之前调整所述含锂盐、所述含钴盐和所述至少一种含金属掺杂剂的盐的摩尔比M
LiSalt
:M
CoSalt
:M
MeSalt
。8.根据请求项6所述的氧化物材料，其中在形成所述液体混合物的所述雾的同时调整所述含锂盐、所述含钴盐和所述至少一种含金属掺杂剂的盐的摩尔比M
LiSalt
:M
CoSalt
:M
MeSalt
。9.根据请求项1所述的氧化物材料，其特征在于，所述含锂盐和所述含钴盐可溶于一合适的溶剂形成所述液体混合物，所述合适的溶剂选自水、醇、甲醇、异丙醇、有机溶剂、无机溶剂、有机酸、硫酸(H2SO4)、柠檬酸(C6H8O7)、乙酸(CH3COOH)、丁酸(C4H8O2)、乳酸(C3H6O3)、硝酸(HNO3)、盐酸(HCl)、乙醇、吡啶、氨、丙酮及其组合。10.根据请求项1所述的氧化物材料，其中所述氧化物材料的固体颗粒在加热到550℃或更高的第二气体流的存在下被退火，并且所述第二气体流被输送到一反应室中以在所述反应室内保持所述退火温度。11.根据请求项1所述的氧化物材料，其中所述氧化物材料的固体颗粒在反应室内部存在第二气体流的情况下被退火，并且透过连接到所述反应室的加热组件来维持所述反应室内部的退火温度。12.根据权利要求1所述的氧化物材料，其中所述液体混合物在存在所述第一气体的情况下被干燥，所述第一气体在干燥室内被加热到200℃或更高，并且所述第一气体被输送到所述干燥室内以保持所述干燥室内维持在一干燥温度。13.根据请求项1所述的氧化物材料，其中，所述液体混合物在一干燥室内被干燥，并且所述干燥室内的干燥温度通过连接到所述干燥室内的一加热组件来保持。14.一种氧化物材料，包括：一种掺杂有一种或多种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料(Li
x
Co
y
O
z
·
doped Me1
a
,Me2
b
,Me3
c
,
…
MeN
n

【专利技术属性】
技术研发人员：邓海霞，刘胜峰，刘敏端，刘梦琛，陈良毓，
申请(专利权)人：壹久公司，
类型：发明
国别省市：