專利名稱：高品質(zhì)鋰離子電池正極材料的焙燒工藝及焙燒設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋰離子電池正極材料焙燒工藝和設(shè)備。
背景技術(shù)：
鋰離子電池是指以不同的嵌鋰化合物為正負(fù)極的二次電池，一般采用鈷酸鋰、鎳酸鋰和錳酸鋰及它們的改性化合物作為正極，采用鋰插入碳化合物作為負(fù)極，以溶解有鋰鹽的有機(jī)溶液為電解質(zhì)組成電池。在充放電過程中，Li+在兩極之間往返嵌入和脫嵌實(shí)現(xiàn)電池的充放電。鋰離子電池工作電壓高、能量密度大、安全性能好、自放電小、可快速充放電、可做成大容量電池組，而且是無記憶效應(yīng)電池。隨著現(xiàn)代電器微型化，高能化的需要，重量輕、體積小、高比能、高電壓、低污染的鋰離子電池將成辦公、通訊、電腦、攝像機(jī)及電動汽車等的良好電源。由于鋰離子電池優(yōu)異的充放電可逆性能和安全性，在電池市場上具有潛在的優(yōu)勢競爭力，使得世界各國都在爭相開發(fā)研究。
在鋰離子電池的普及和應(yīng)用過程中，電池的性能和價(jià)格是決定因素，而制備性能優(yōu)越、價(jià)格便宜的嵌鋰化合物為正極材料是其中的關(guān)鍵。
合成正極材料的方法有固相法和液相法。高溫固相合成是將鋰、過渡金屬元素的碳酸鹽、硝酸鹽、醋酸鹽、氧化物或氫氧化物等原料混合后在空氣中進(jìn)行長時(shí)間和多階段加熱。低溫固相合成法則是將鋰和過渡金屬元素的原料在不同氣氛或有機(jī)溶劑中長時(shí)間研磨，然后仍需在一定溫度長時(shí)間加熱。液相合成法多采用溶膠凝膠法。該法的關(guān)鍵是選擇適當(dāng)?shù)姆稚┤芤汉涂刂坪线m的pH值，將物料形成凝膠，然后通過各種方法除去有機(jī)物和水份，最后在較高溫度焙燒。另為還有熔鹽浸漬法、Pechini法、共沉淀法、低溫半固相法等。這些不同的合成方法，基本都需在前期處理后，經(jīng)過焙燒結(jié)晶過程而最終得到的正極材料產(chǎn)品。通常采用的焙燒工藝和設(shè)備能耗高，反應(yīng)物混合不均勻，產(chǎn)物形貌不規(guī)則，結(jié)晶品質(zhì)差，電化學(xué)性能不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種高品質(zhì)鋰離子電池正極材料的焙燒工藝，該工藝在焙燒過程中利用結(jié)晶學(xué)原理和空氣動力學(xué)原理，在原料靜止焙燒結(jié)晶過程中，通過控制閥板方便的實(shí)現(xiàn)焙燒氣氛的流動，并可調(diào)其流速、流量，而且通過氣體的流動，強(qiáng)化焙燒爐內(nèi)對流傳熱，從而加強(qiáng)焙燒氣體與焙燒物料的接觸與擴(kuò)散，并使得焙燒爐內(nèi)溫度均勻，這樣獲得反應(yīng)均勻、高結(jié)晶品質(zhì)、孔隙均勻、表面積小、視比重大、電化學(xué)性能穩(wěn)定的鋰離子電池正極材料產(chǎn)品。
本發(fā)明的另一目的是為了提供一種高品質(zhì)鋰離子電池正極材料的焙燒設(shè)備。該設(shè)備通過控制閥板方便的實(shí)現(xiàn)焙燒氣氛的流動，并可調(diào)其流速、流量，而且通過氣體的流動，強(qiáng)化焙燒爐內(nèi)對流傳熱，從而加強(qiáng)焙燒氣體與焙燒物料的接觸與擴(kuò)散，并使得焙燒爐內(nèi)溫度均勻，這樣獲得反應(yīng)均勻、高結(jié)晶品質(zhì)、孔隙均勻、表面積小、視比重大、電化學(xué)性能穩(wěn)定的鋰離子電池正極材料產(chǎn)品。
本發(fā)明的目的可通過如下措施來實(shí)現(xiàn)一種高品質(zhì)鋰離子電池正極材料的焙燒工藝，包括下述步驟(1)取鋰離子電池正極材料，其分子結(jié)構(gòu)式為LiMXN1-XO2或LiMXMn2-XO4，分子結(jié)構(gòu)式LiMXN1-XO2中M、N選自Co、Ni、Mn、Cr、V過渡金屬元素中的任一種，X為0≤X＜0.8；分子結(jié)構(gòu)式LiMXMn2-XO中的M選自Co、Ni、Mn、Cr、V、Al任一種，X為0≤X＜0.4；將上述鋰離子電池正極材料置于焙燒爐內(nèi)，對其進(jìn)行焙燒；(2)所述的鋰離子電池正極材料的盛料盤在焙燒爐內(nèi)呈之字形排列；(3)通過調(diào)節(jié)爐內(nèi)空氣流量和流速，使得焙燒爐內(nèi)的空氣更新量為每小時(shí)1/10-1/2爐腔體積。
所述的進(jìn)行焙燒時(shí)的鋰離子電池正極材料的細(xì)度為-200目--1000目，裝入盛料盤的料層厚度為2-10cm。
所述的焙燒爐焙燒物料進(jìn)行空氣更新前還包括下述步驟物料在焙燒爐中先升溫，然后保溫，再進(jìn)行爐內(nèi)空氣更新并升溫至最終焙燒溫度。
所述的焙燒爐是通過煙囪形成的壓差來引起爐內(nèi)空氣的對流。
本發(fā)明的另一目的還可通過如下措施來實(shí)現(xiàn)一種高品質(zhì)鋰離子電池正極材料的焙燒設(shè)備，包括焙燒爐；在焙燒爐內(nèi)設(shè)盛料盤，盛料盤成之字形排列；在焙燒爐的上部設(shè)空氣引入口；在焙燒爐的下部設(shè)空氣引出口，所述的空氣引出口與煙囪相連。
在所述的空氣引入口、空氣引出口處均設(shè)有閥板。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明在焙燒過程中利用結(jié)晶學(xué)原理和空氣動力學(xué)原理，在原料靜止焙燒結(jié)晶過程中，通過控制閥板方便的實(shí)現(xiàn)焙燒氣氛的流動，并可調(diào)其流速、流量，而且通過氣體的流動，強(qiáng)化焙燒爐內(nèi)對流傳熱，從而加強(qiáng)焙燒氣體與焙燒物料的接觸與擴(kuò)散，并使得焙燒爐內(nèi)溫度均勻，這樣獲得反應(yīng)均勻、高結(jié)晶品質(zhì)、孔隙均勻、表面積小、視比重大、電化學(xué)性能穩(wěn)定的鋰離子電池正極材料產(chǎn)品。
2、本發(fā)明的設(shè)備簡單、實(shí)用、投資小，低能耗，易于實(shí)現(xiàn)鋰離子電池正極材料規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明焙燒爐的結(jié)構(gòu)示意圖1-焙燒爐2-盛料盤 3-空氣引入口4-空氣引出口5-閥板具體的實(shí)施方式實(shí)施例參照圖1，一種制備鋰離子電池正極材料LiCo0.1Mn1.9O4的方法將34.73Kg一水氫氧化鋰、20.62Kg四水醋酸鈷和180.78Kg碳酸錳混合均勻，噴加入10L乙二醇和水的混合溶液，其中乙二醇和水的摩爾比為1∶25。在混合過程中將pH值調(diào)節(jié)至大于7，并邊混合邊緩慢加入50L濃度為10％的過氧化氫水溶液。將上述物料充分混合均勻后，在260℃下將水份及乙二醇除盡。取出烘干后的物料在球磨機(jī)中研磨至-325目，然后鋪攤于六只高溫不銹鋼制料盤中，料層厚度為5cm，將盤推入1m*0.5m*0.8m的焙燒爐中，先關(guān)閉空氣引入口和引出口閥板，升溫至490℃，保溫10小時(shí)，打開空氣引入口和引出口閥板調(diào)節(jié)閥板控制爐內(nèi)的空氣流入量為0.005m3/h，再以100℃/h的升溫速度升溫至890℃，焙燒結(jié)晶6小時(shí)之后關(guān)閉空氣引入、引出閥門，進(jìn)行降溫，爐溫＞500℃時(shí)降溫速度小于50℃/h，之后料隨爐冷卻。所得黑色粉末鋰離子電池正極材料LiCo0.1Mn1.9O4為反應(yīng)均勻，結(jié)晶品質(zhì)優(yōu)良，視比重大，產(chǎn)品中Li含量3.8％，Co含量3.2％，Mn含量57.6％，比容量為115mAh/g，充放電循環(huán)50次充放效率仍達(dá)97.0％。
權(quán)利要求
1.一種高品質(zhì)鋰離子電池正極材料的焙燒工藝，包括下述步驟(1)取鋰離子電池正極材料，其分子結(jié)構(gòu)式為LiMXN1-XO2或LiMXMn2-XO4，分子結(jié)構(gòu)式LiMXN1-XO2中M、N選自Co、Ni、Mn、Cr、V過渡金屬元素中的任一種，X為0≤X＜0.8；分子結(jié)構(gòu)式LiMXMn2-XO中的M選自Co、Ni、Mn、Cr、V、Al任一種，X為0≤X＜0.4；將上述鋰離子電池正極材料置于焙燒爐內(nèi)，對其進(jìn)行焙燒；(2)所述的鋰離子電池正極材料的盛料盤在焙燒爐內(nèi)呈之字形排列；(3)通過調(diào)節(jié)爐內(nèi)空氣流量和流速，使得焙燒爐內(nèi)的空氣更新量為每小時(shí)1/10-1/2爐腔體積。
2.如權(quán)利要求1所述的高品質(zhì)鋰離子電池正極材料的焙燒工藝，其特征在于所述的進(jìn)行焙燒時(shí)的鋰離子電池正極材料的細(xì)度為-200目--1000目，裝入盛料盤的料層厚度為2-10cm。
3.如權(quán)利要求1所述的高品質(zhì)鋰離子電池正極材料的焙燒工藝，其特征在于焙燒爐焙燒物料進(jìn)行空氣更新前還包括下述步驟物料在焙燒爐中先升溫，然后保溫，再進(jìn)行爐內(nèi)空氣更新并升溫至最終焙燒溫度。
4.如權(quán)利要求1所述的高品質(zhì)鋰離子電池正極材料的焙燒工藝，其特征在于所述的焙燒爐是通過煙囪形成的壓差來引起爐內(nèi)空氣的對流。
5.一種高品質(zhì)鋰離子電池正極材料的焙燒設(shè)備，包括焙燒爐(1)；其特征在于在焙燒爐(1)內(nèi)設(shè)盛料盤(2)，盛料盤(2)成之字形排列；在焙燒爐的上部設(shè)空氣引入口(3)；在焙燒爐(1)的下部設(shè)空氣引出口(4)，所述的空氣引出口(4)與煙囪相連。
6.如權(quán)利要求5所述的高品質(zhì)鋰離子電池正極材料的焙燒設(shè)備，其特征在于在所述的空氣引入口(3)、空氣引出口(4)處均設(shè)有閥板(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋰離子電池正極材料的焙燒工藝和設(shè)備，該工藝是將相應(yīng)的原料進(jìn)行前期處理后，將物料混合均勻置于可使氣氛流動并可調(diào)節(jié)流速、流量的焙燒爐中進(jìn)行反應(yīng)焙燒結(jié)晶，從而制備具有反應(yīng)均勻、高結(jié)晶品質(zhì)、孔隙均勻、比表面積小、視比重大、電化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)的鋰離子電池正極材料，并且該焙燒工藝和設(shè)備簡單、實(shí)用、投資小、能耗低，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。
文檔編號H01M4/04GK1510772SQ0214558
公開日2004年7月7日 申請日期2002年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月24日
發(fā)明者周園, 馬培華, 賈永忠, 園 周 申請人:中國科學(xué)院青海鹽湖研究所