一種鋰離子電池用高鎳正極活性物質(zhì)的自導(dǎo)高溫合成裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種鋰離子電池用高鎳正極活性物質(zhì)的自導(dǎo)高溫合成裝置，其特征在于該裝置含有以下組件：氧氣進(jìn)氣管1，陶瓷約束柱2，方形容器3，高鎳正極材料4，鎢鉬高溫抗氧化涂層接觸板5，材料壓緊裝置6，正極導(dǎo)電棒7，氧氣出氣管8，底座9，負(fù)極導(dǎo)電棒10，絕緣密封墊11。高鎳正極材料4被陶瓷約束圈2圍住，置入方形容器3中，進(jìn)氣管1通入氧氣，直流電流通過材料壓緊裝置6、導(dǎo)電棒7和10經(jīng)過材料形成一個(gè)回路。由于是物料直接加熱，不但可以得到較好的節(jié)能效果，而且可以保證合成后的材料得到較好的晶形結(jié)構(gòu)，而裝置中與高溫氧氣接觸部分僅僅為鎢鉬高溫抗氧化涂層板。
【專利說明】一種鋰離子電池用高鎳正極活性物質(zhì)的自導(dǎo)高溫合成裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種作為鋰離子電池正極材料使用的高鎳活性物質(zhì)的制造裝置，屬于新能源材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]在鋰離子電池中，高鎳系的LiNixMhO2U彡0.6)產(chǎn)品存在容量衰減快的問題，其主要原因在于:盡管其中Co、N1、Mn和Al等具有協(xié)同效應(yīng)，穩(wěn)定了其層狀結(jié)構(gòu)，但由于高鎳狀態(tài)導(dǎo)致依然存在著陽離子混排致使循環(huán)性能降低的現(xiàn)象，即在該材料中殘留的Ni2+勢必要取代Ni3+的位置，使得陽離子電荷降低，為了保持電荷平衡，相應(yīng)地，部分Ni2+要占據(jù)Li+
的位置，由于Ni半徑(0.70A)小于Li半徑(0.74A)，且在脫鋰過程中被氧化為半徑更小的Ni3+(0.56A)，導(dǎo)致層間局部結(jié)構(gòu)塌陷，使得Li+很難再嵌入塌陷的位置，因此造成材料的容量損失，循環(huán)性能下降。為了解決高鎳正極材料這一陽離子混排或循環(huán)性能問題，在制備中優(yōu)化制備方法尤其在燒結(jié)工藝條件上往往采取近乎純氧(O2 ^ 95% )的氣氛環(huán)境，有的研究甚至采用加壓純氧(O2 ^ 95% )的氣氛環(huán)境。
[0003]到目前為止，能夠規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)方式仍然是用共沉淀產(chǎn)出高鎳的氫氧化物前驅(qū)體NixMh(OH)2IU ^ 0.6)，然后再與鋰鹽按照一定比例混合后裝入方形乘料匣缽中，推至氣氛爐恒溫區(qū)。接著，在流動(dòng)氧氣氣氛中溫預(yù)燒結(jié)保溫，以便部分Ni2+轉(zhuǎn)化為Ni3+，同時(shí)除去前驅(qū)體中的吸附水或鋰鹽中的結(jié)晶水。繼續(xù)升溫至較高反應(yīng)溫度后，不斷通入氧氣或設(shè)定一定的氧氣壓力后，在恒溫恒壓下反應(yīng)較長時(shí)間得到高鎳正極材料。
[0004]在高鎳態(tài)的的LiNixMhO2U彡0.6)材料中，Ni2+即使是在高溫流動(dòng)的氧氣氣氛下也難以完全氧化成Ni3+而導(dǎo)致材料的循環(huán)性能惡化，在燒結(jié)工藝條件上控制近乎純氧(O2 ^ 95% )的氣氛環(huán)境或加壓純氧(O2 ^ 95% )的氣氛環(huán)境,傳統(tǒng)工藝一般米用匣缽乘料的間接加熱推進(jìn)燒結(jié)方式，近乎純氧(O2 ^ 95% )的氣氛環(huán)境給燒結(jié)工藝尤其是燒結(jié)設(shè)備帶來很大的問題，在這種環(huán)境下主要對間接加熱的發(fā)熱元件造成致命損害，合金發(fā)熱元件無法承受高溫氧環(huán)境，硅碳及硅鑰元件受制于一定溫度，造成材料的綜合性能達(dá)不到要求，有的用優(yōu)質(zhì)耐熱抗氧化不銹鋼制成爐罩隔離發(fā)熱元件加熱來加熱，一是耐熱抗氧化不銹鋼仍然有一定的溫度限制，二是罩隔離發(fā)熱元件后造成熱效率降低，熱損失增大。同時(shí)在高溫氧環(huán)境下，造成燒結(jié)設(shè)備的組成爐料，乘料匣缽的損耗也較大，以上這些弊端使材料燒結(jié)成本大大增高。
[0005]針對上述工藝的不足，本實(shí)用新型從工業(yè)應(yīng)用角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一個(gè)裝置，利用材料自身的比電阻進(jìn)行直接歐姆加熱。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型的裝置如圖1所示，圖1中，裝置的序號分別是:1_氧氣進(jìn)氣管(預(yù)熱時(shí)進(jìn)熱風(fēng))，2-陶瓷約束柱，3-方形容器，4-高鎳正極材料，5-鎢鑰高溫抗氧化涂層接觸板，6-材料壓緊裝置，7-正極導(dǎo)電棒，8-氧氣出氣管，9-底座，10-負(fù)極導(dǎo)電棒，11-絕緣密封墊。
[0007]使用時(shí)，將要燒結(jié)的材料4用I個(gè)中空圓柱形陶瓷約束圈2圍住，置入方形容器3中，然后調(diào)整壓緊裝置使物料定型后先從進(jìn)氣管I通入加熱后的300-400°C的預(yù)熱風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，開始的物料電阻非常大，通入直流電無法直接加熱，待物料預(yù)熱后電阻逐漸減小，然后停止送熱風(fēng)改從進(jìn)氣管I通入氧氣，控制氧氣壓力到某個(gè)壓力值，然后調(diào)整壓緊裝置6使材料定型后通入直流電，直流電流通過導(dǎo)電棒7和10經(jīng)過材料形成一個(gè)回路，根據(jù)焦耳定律和歐姆定律，電流通過材料長度、截面的單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Q/t = I2R或Q/t =U2/R。由于元素組成不同的LiNixMl-x02(x彡0.8)材料自身比電阻有差異，同時(shí)成型的體積截面積和長度不同也導(dǎo)致比電阻數(shù)值不同，材料的電阻大小與材料的長度成正比，而與其截面積成反比。公式Q/t = I2R表示通過材料截面的電流相等時(shí),材料比電阻越大,單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量越多。
[0008]Q/t = U2/R表示材料截面的比電阻為定值時(shí)調(diào)整兩端的電壓可獲得所需要的單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量。整個(gè)系統(tǒng)可視為一個(gè)純電阻電路，產(chǎn)生的熱量符合下列式子:
[0009]Hq 放=Pt = UIt = U2/Rt = I2Rt
[0010]確定電阻率的計(jì)算公式為:
[0011]P = RS/L
[0012]材料的電阻率可通過壓實(shí)程度和擴(kuò)大截面積來獲得調(diào)整，以適應(yīng)電壓條件。燒結(jié)過程中可根據(jù)所需要的溫度條件來調(diào)整直流電流和直流電壓來適應(yīng)，在調(diào)整好電流電壓進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，適當(dāng)開啟出氣閥門8，使內(nèi)部始終保持一定的氧分壓，燒結(jié)過程根據(jù)材料收縮情況調(diào)整壓緊裝置6，始終保持電流恒定，導(dǎo)電棒7和10采用耐熱不銹鋼材料，與物料接觸部分采用鎢鑰高溫抗氧化涂層板接觸，這樣對材料可以保持充足的氧氣和較高的燒結(jié)溫度，由于是物料直接加熱，不但可以得到較好的節(jié)能效果，而且可以保證合成后的材料得到較好的晶形結(jié)構(gòu)，而裝置中與高溫氧氣接觸部分僅僅為鎢鑰高溫抗氧化涂層板。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本實(shí)用新型裝置示意圖，圖1中裝置的序號分別是:1_氧氣進(jìn)氣管(預(yù)熱時(shí)進(jìn)熱風(fēng))，2-陶瓷約束柱，3-方形容器，4-高鎳正極材料，5-鎢鑰高溫抗氧化涂層接觸板，6-材料壓緊裝置，7-正極導(dǎo)電棒，8-氧氣出氣管，9-底座，10-負(fù)極導(dǎo)電棒，11-絕緣密封墊。

【具體實(shí)施方式】
[0014]實(shí)施例1取混合好的LiNia8Ctjai5Alaci5O2(NCA)材料5千克，置于ΦΙΟΟπιπι長度250mm的陶瓷約束柱中，首先向通入加熱后的300-400°C的預(yù)熱風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，待電阻減小后再停止預(yù)熱向方形容器內(nèi)充滿氧氣，打開直流電源，調(diào)整壓緊裝置，物料開始導(dǎo)電，升高直流電壓至50V，等待直流電流升高至200A后恒溫2小時(shí)，然后將直流電壓升高至65V，此時(shí)直流電流升高至263A，用熱電偶測得溫度為826°C，在此溫度下恒溫8小時(shí)后冷卻取出，破碎篩分，做成扣式電池，在2.75-4.3V電壓范圍內(nèi)，以0.2C倍率充放電，首次放電比容量高達(dá)194.3mAh/g, 50次循環(huán)后，容量保持率95.4%。
[0015]實(shí)施例2取混合好的LiNia8Co0.!Mn0.材料5千克，置于Φ 10mm長度250mm的陶瓷約束柱中，首先向通入加熱后的300-400°C的預(yù)熱風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，待電阻減小后再停止預(yù)熱向方形容器內(nèi)充滿氧氣，打開直流電源，調(diào)整壓緊裝置，物料開始導(dǎo)電，升高直流電壓至50V,等待直流電流升高至200A后恒溫2小時(shí)，然后將直流電壓升高至65V，此時(shí)直流電流升高至263A，用熱電偶測得溫度為826°C，在此溫度下恒溫8小時(shí)后冷卻取出，破碎篩分，做成扣式電池，在2.75-4.3V電壓范圍內(nèi)，以0.2C倍率充放電，首次放電比容量高達(dá)190.2mAh/g，50次循環(huán)后，容量保持率有93.3%。
[0016]實(shí)施例3取混合好的LiNia7Coa Wna2O2材料5千克，置于Φ 10mm長度250_的陶瓷約束柱中，首先向通入加熱后的300-400°C的預(yù)熱風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，待電阻減小后再停止預(yù)熱向方形容器內(nèi)充滿氧氣，打開直流電源，調(diào)整壓緊裝置，物料開始導(dǎo)電，升高直流電壓至50V，等待直流電流升高至200A后恒溫2小時(shí)，然后將直流電壓升高至65V，此時(shí)直流電流升高至263A，用熱電偶測得溫度為826°C，在此溫度下恒溫8小時(shí)后冷卻取出，破碎篩分，做成扣式電池，在2.75-4.3V電壓范圍內(nèi)，以0.2C倍率充放電，首次放電比容量高達(dá)182.8mAh/g，50次循環(huán)后，容量保持率94.2%。
[0017]實(shí)施例4取混合好的LiNia6Coa2Mna2O2材料5千克，置于Φ 10mm長度250mm的陶瓷約束柱中，首先向通入加熱后的300-400°C的預(yù)熱風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，待電阻減小后再停止預(yù)熱向方形容器內(nèi)充滿氧氣，打開直流電源，調(diào)整壓緊裝置，物料開始導(dǎo)電，升高直流電壓至50V,等待直流電流升高至200A后恒溫2小時(shí)，然后將直流電壓升高至65V，此時(shí)直流電流升高至263A，用熱電偶測得溫度為826°C，在此溫度下恒溫8小時(shí)后冷卻取出，破碎篩分，做成扣式電池，在2.75-4.3V電壓范圍內(nèi)，以0.2C倍率充放電，首次放電比容量高達(dá)179.5mAh/g，50次循環(huán)后，容量保持率達(dá)到93.9%。
【權(quán)利要求】
1.一種鋰離子電池用高鎳正極活性物質(zhì)的自導(dǎo)高溫合成裝置，其特征在于該裝置含有以下組件: 氧氣進(jìn)氣管(I)，陶瓷約束柱(2)，方形容器(3)，高鎳正極材料(4)，鎢鑰高溫抗氧化涂層接觸板(5)，材料壓緊裝置(6)，正極導(dǎo)電棒(7)，氧氣出氣管(8)，底座(9)，負(fù)極導(dǎo)電棒(10)，絕緣密封墊(11)， 高鎳正極材料(4)被陶瓷約束圈(2)圍住，置入方形容器(3)中，進(jìn)氣管(I)通入氧氣，直流電流通過材料壓緊裝置(6)、導(dǎo)電棒(7)和(10)經(jīng)過材料形成一個(gè)回路。
【文檔編號】H01M4/525GK203983402SQ201420129136
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】李錫力, 葉尚云, 楊連昌, 李文斌, 張祥, 張平偉 申請人:個(gè)舊圣比和實(shí)業(yè)有限公司