[發明專利]一種鋰離子電池正極材料碳包覆改性的系統及方法

有效

• 申請號: 201810548228.2
• 申請日: 2018-05-31
• 公開（公告）號: CN108842140B
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 呂鵬鵬;朱慶山
• 申請（專利權）人: 中國科學院過程工程研究所
• 主分類號: C23C16/26
• 分類號: C23C16/26;C23C16/442;C23C16/455;H01M4/36;H01M4/505;H01M4/525;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 陳琳琳;武玥

本發明涉及一種鋰離子電池正極材料碳包覆改性的系統及方法，所述系統主要包括料倉、螺旋進料器、預熱器進料閥、流化床粉體預熱器、反應器進料閥、流化床反應器、反應器出料閥、產品冷卻器、產品收集器、混合氣預熱器、一級反應尾氣旋風分離器、二級反應尾氣旋風分離器、反應尾氣布袋收塵器、反應尾氣燃燒器、一級預熱尾氣旋風分離器、二級預熱尾氣旋風分離器、預熱尾氣布袋收塵器和預熱尾氣冷卻器按照既定組合形成；所述方法是基于所述系統的碳包覆方法，通過流態化化學氣相沉積得到碳包覆正極復合粉體。本發明具有包覆效率高、工藝簡單可控、成本低等優點，適合鋰離子電池碳包覆改性正極材料的規模化工業生產，具有良好的經濟效益和社會效益。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池材料、化工領域，具體涉及一種鋰離子電池正極材料碳包覆改性的系統及方法。

背景技術

鋰離子電池以其高能量密度、長循環壽命、無記憶效應和安全環保等特點在很多領域得到了廣泛的應用。近年來，隨著電動汽車的快速發展，人們對鋰離子電池的性能提出了更高的要求。電極材料作為鋰離子電池的核心組成部分，決定著鋰離子電池的性能。目前鋰離子電池正極材料，主要是過渡金屬氧化物正極材料，如鈷酸鋰、三元正極材料等，都有較高的容量和安全性能，然而這類材料當充電電壓高于4.2V時，性能就會急劇下降，嚴重限制了材料的發展和應用。碳包覆改性是一種非常有效可行解決該問題的辦法，通過碳包覆改性可以阻止材料與電解液的直接接觸，抑制循環過程中氫氟酸對過渡金屬氧化物正極材料的侵蝕，減少材料與電解液的副反應。同時可以降低電池在充放電過程中的電荷轉移電阻，提高電子導電性和離子導電性，改善過渡金屬氧化物正極材料的倍率性能，降低極化作用。因此，碳包覆改性對鋰離子電池正極材料的性能改善意義重大。

目前，鋰離子電池正極材料的碳包覆方法主要包括：

(1)機械混合熱解：機械混合熱解方法是指將正極材料和含碳前驅體通過固相機械混合，再通過熱解制備碳包覆材料。上海電力學院的專利CN102244247A將LiFePO₄的合成材料與碳源材料(抗壞血酸或葡萄糖)通過機械球磨混合后在惰性氣氛保護下600～800℃下保溫5～8h制得碳包覆磷酸鐵鋰復合材料。浙江谷神能源科技股份有限公司專利CN102903913B以聚乙烯或聚丙烯或瀝青為碳源，經球磨與原料混合后在200～500℃預燒1～4h，再升溫至600～700℃高溫熱解5～24h。該種碳包覆方法的均勻性效果主要取決于原材料和碳前驅體的混合均勻性，而采用的機械混合方式，均勻性較差。為了將碳源高溫熱解徹底，處理時間長，大大增加了成本，同時高溫熱解時碳前驅體容易自形核生成自團聚的碳，導致性能改善效果有限。

(2)液相混合熱解：液相混合熱解是指將正極材料和含碳前驅體溶液進行混合，經過熱解制備碳包覆材料。蘇州思創源博電子科技有限公司的專利CN106025208A將三元材料與蔗糖水溶液混合后熱解，制得碳包覆三元材料。哈爾濱工業大學專利CN103078115A以蔗糖或葡萄糖為碳源，以溶液形式混合磷酸鐵鋰原料，在200～300℃預燒1～4h，再升溫至550～750℃高溫熱解5～12h，制備碳包覆多孔結構的納米磷酸鐵鋰復合材料。清華大學(CN104882589B)、深圳市貝特瑞新能源材料股份有限公司(CN101308925B)、北京有色金屬研究總院(CN105720261A)和深圳市倍特力電池有限公司(CN103474628B)也公開了工藝類似的專利。為了徹底熱解碳源，同時不將正極材料中的過渡金屬還原，這些專利都采用了預熱(200～500℃)結合中低溫(600～1000℃)熱處理，熱解時間普遍長達12～24h。液相混合熱解工藝帶來的工藝復雜和處理時間長會增加碳包覆的成本，同時存在的自形核團聚碳的問題，也影響碳包覆對電化學性能的改善效果。