烧结阴极活性材料元件及其方法技术

公开的是包括阴极活性材料的自立煅烧元件(例如砖和瓦)及其制备方法。该方法包括将试剂与金属前体混合以形成前体混合物，将前体混合物压缩成自立前体元件(例如砖和瓦)，并且加热自立前体元件(例如砖和瓦)以形成包括阴极活性材料的自立煅烧元件(例如砖和瓦)。活性材料的自立煅烧元件(例如砖和瓦)。活性材料的自立煅烧元件(例如砖和瓦)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】烧结阴极活性材料元件及其方法
[0001]援引加入任何优先申请
[0002]根据37CFR 1.57和细则4.18和20.6援引加入在与本申请一起提交的请求书中指定的外国或本国优先权要求的任何和所有申请，比如2020年9月22日提交的美国临时申请号63/081,470。


[0003]本公开一般涉及电极活性材料及其形成工艺。更具体地，本公开涉及用于锂离子电池的金属氧化物阴极材料的形成。

技术介绍

[0004]金属氧化物阴极活性材料的煅烧通常涉及在高温处通过大型辊底窑烘烤粉末形式的材料以实现目标材料性质。这种高温工艺始于锂化合物与金属前体混合以形成粉末混合物。粉末通常装在装料容器(即大型陶瓷坩埚)中，其然后被馈送到长的高温窑炉中，总停留时间超过12小时。保持阴极前体粉末的装料容器的示例示意图示在图1中被示出，其中阴极粉末高度约为80mm，并且体积密度大约为0.9kg/m3。反应后的材料随后从装料容器中被移除，被研磨至目标颗粒大小，并且在被馈送到电极生产工艺之前可选地经历表面处理工艺。
[0005]然而，由于通常所使用的辊底窑(RHK)的资本成本最高、能量消耗最高且停留时间长，因此煅烧工艺在所有工艺之中占据制造成本的最高部分。于是，将这些窑炉的产量最大化对于降低阴极生产的资本和运营成本至关重要。
[0006]此外，装料容器本身给煅烧工艺带来效率低下。RHK的装料容器的标准维度是100mm x 330mm x 330mm(高x宽x长)，其中可用高度≤80mm，并且每个装料容器的总重量超过5kg。粉末混合物的典型体积密度大约为0.9g/cm3。通常在每个装料容器中只能填装大约4.5kg的混合材料，其中装量过高可能会影响气体扩散和热分布，从而导致质量问题。尽管提高生产率可以通过将装料容器相互堆叠来实现，其中常见的工业窑炉配置可以容纳一排4个装料容器、平行堆叠2个高，但是这种生产率策略是不可扩展的。
[0007]如此，装料容器具有许多固有的低效率，包括：1)由于粉末停滞在坩埚中，所以传热系数和传质系数低，从而进一步增加了在窑炉中所需的停留时间；2)通常延长窑炉的出口处的冷却时间以防止装料容器开裂并延长装料容器寿命；3)耗材成本高，因为装料容器通常在使用1
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2周之后需要进行更换；以及4)装料容器处理和检查系统资本密集度高并且可能是频繁停机的原因。
[0008]此外，煅烧可以包括进一步处理以便改善活性材料的结晶度。活性材料的改善的结晶度通常与改进的储能设备性能相关，但是为获得改善的结晶度而进行的进一步处理给制造工艺带来了附加的低效率。

技术实现思路

[0009]为了总结本公开和相对于现有技术所实现的优点，本文描述了本公开的某些目的和优点。并非所有这些目的或优点都可以在任何特定实施例中被实现。因此，例如，本领域的技术人员将意识到，本专利技术可以以实现或优化本文教导的一个优点或一组优点的方式来被体现或执行，而不必实现可能本文教导或建议的其他目的或优点。
[0010]所有这些实施例旨在落入本文所公开的本专利技术的范围内。根据参考附图对优选实施例的以下详细描述，这些和其他实施例对于本领域技术人员而言将变得显而易见，本专利技术不限于所公开的任何特定优选实施例。
[0011]在一方面，描述了自立煅烧元件。自立煅烧元件包括至少大约95wt.％(重量％)的含量的阴极活性材料。
[0012]在一些实施例中，阴极活性材料包括结晶阴极活性材料颗粒。在一些实施例中，阴极活性材料选自由如下组成的群组：锂镍锰钴氧化物(NMC)、锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)、钴酸锂(LCO)、钛酸锂(LTO)、镍锰酸锂(LNMO)、锂镍钴铝氧化物(NCA)、镍锰铝氧化物(NMA)、镍钴锰铝氧化物(NMCA)、LiNiO2或其组合。在一些实施例中，自立煅烧元件包括至多大约1wt.％的残余锂。在一些实施例中，自立煅烧元件包括大约0.1
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1wt.％的粘合剂。在一些实施例中，自立煅烧元件基本上不含粘合剂。
[0013]在一些实施例中，自立煅烧元件包括多个通孔。在一些实施例中，自立煅烧元件包括2
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50个通孔。在一些实施例中，多个通孔中的每一个通孔的直径大约为10
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30mm。在一些实施例中，自立煅烧元件包括为总元件体积的大约0.1
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30％的多个通孔。在一些实施例中，自立煅烧元件包括表面图案，该表面图案被配置为在相邻元件之间形成至少一个通道。在一些实施例中，自立煅烧元件为砖或瓦的形状。在一些实施例中，自立煅烧元件包括大约1.9
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2.3g/cm3的密度。在一些实施例中，自立煅烧元件包括大约1.7
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1.8g/cm3的密度。
[0014]另一方面，描述了一种用于制备阴极活性材料的工艺。该工艺包括将试剂与金属前体混合以形成前体混合物，将前体混合物压缩成自立前体元件，以及加热自立前体元件以形成包括阴极活性材料的自立煅烧元件。
[0015]在一些实施例中，该试剂是锂试剂。在一些实施例中，锂试剂选自由氢氧化锂、氢氧化锂一水合物、碳酸锂及其组合组成的群组。在一些实施例中，金属前体选自由金属氧化物、金属氢氧化物、金属碳酸盐及其组合组成的群组。在一些实施例中，金属前体包括选自由Ni、Mn、Co、Al、Mg、Fe、Ti及其组合组成的群组的金属。
[0016]在一些实施例中，前体混合物还包括溶剂。在一些实施例中，溶剂是水。在一些实施例中，前体混合物包括大约0.1
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20wt.％的溶剂。在一些实施例中，前体混合物还包括粘合剂。在一些实施例中，粘合剂选自由如下组成的群组：聚(乙二醇)(PEG)、聚(环氧乙烷)(PEO)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)、甲基纤维素(MC)、羧甲基纤维素(CMC)、CMC盐、羟丙基纤维素(HPC)、羟乙基纤维素(HEC)和羟丙基甲基纤维素(HPMC)、聚四氟乙烯(PTFE)及其组合。在一些实施例中，前体混合物包括大约0.1
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1wt.％的粘合剂。在一些实施例中，前体混合物包括大约0.025
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1wt.％的粘合剂。在一些实施例中，自立前体元件包括多个通孔。在一些实施例中，该工艺还包括堆叠多个自立前体元件以形成元件堆叠。在一些实施例中，元件堆叠包括在相邻的自立前体元件之间的至少一个通道。在一些实施例中，自立前体元件包括为大约1.9
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2.3g/cm3的密度。
[0017]在一些实施例中，自立前体元件在被加热时由基底支撑。在一些实施例中，自立前体元件在被加热时通过高温隧道窑炉被输送。在一些实施例中，加热在选自由氧化气氛、惰性气氛和还原气氛组成的群组的气氛中进行。在一些实施例中，加热在包括氧气的气氛中进行。在一些实施例中，加热在大约650
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850℃的温度处进行。在一些实施例中，该工艺包括对自立前体元件进行预加热。在一些实施例中，该工艺不包括阴极活性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种自立煅烧元件，包括至少大约95wt.％的含量的阴极活性材料。2.根据权利要求1所述的自立煅烧元件，其中所述阴极活性材料包括结晶阴极活性材料颗粒。3.根据权利要求1所述的自立煅烧元件，其中所述阴极活性材料选自由如下组成的群组：锂镍锰钴氧化物(NMC)、锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)、钴酸锂(LCO)、钛酸锂(LTO)、镍锰酸锂(LNMO)、锂镍钴铝氧化物(NCA)、镍锰铝氧化物(NMA)、镍钴锰铝氧化物(NMCA)、LiNiO2或其组合。4.根据权利要求1所述的自立煅烧元件，其中所述自立煅烧元件包括至多大约1wt.％的残余锂。5.根据权利要求1所述的自立煅烧元件，其中所述自立煅烧元件基本上不含粘合剂。6.根据权利要求1所述的自立煅烧元件，其中所述自立煅烧元件包括多个通孔。7.根据权利要求6所述的自立煅烧元件，其中所述自立煅烧元件包括2
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50个通孔。8.根据权利要求6所述的自立煅烧元件，其中所述多个通孔中的每一个通孔的直径为大约10
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30mm。9.根据权利要求6所述的自立煅烧元件，其中所述自立煅烧元件包括为总元件体积的大约0.1
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30％的所述多个通孔。10.根据权利要求1所述的自立煅烧元件，其中所述自立煅烧元件包括表面图案，所述表面图案被配置为在相邻元件之间形成至少一个通道。11.根据权利要求1所述的自立煅烧元件，其中所述自立煅烧元件为砖或瓦的形状。12.根据权利要求1所述的自立煅烧元件，其中所述自立煅烧元件包括大约1.7
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1.8g/cm3的密度。13.一种用于制备阴极活性材料的工艺，包括：将试剂与金属前体混合以形成前体混合物；将所述前体混合物压缩成自立前体元件；以及加热所述自立前体元件以形成包括阴极活性材料的自立煅烧元件。14.根据权利要求13所述的工艺，其中所述试剂是锂试剂。15.根据权利要求14所述的工艺，其中所述锂试剂选自由如下组成的群组：氢氧化锂、氢氧化锂一水合物、碳酸锂及其组合。16.根据权利要求13所述的工艺，其中所述金属前体选自由如下组成的群组：金属氧化物、金属氢氧化物、金属碳酸盐及其组合。17.根据权利要求13所述的工艺，其中所述金属前体包括选自由Ni、Mn、Co、Al、Mg、Fe、Ti及其组合组成的群组的金属。18.根据权利要求13所述的工艺，其中所述前体混合物还包括溶剂。19.根据权利要求18所述的工艺，其中所述溶剂是水。20.根据权利要求18所述的工艺，其中所述前体混合物包括大约0.1
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【专利技术属性】
技术研发人员：T，
申请(专利权)人：特斯拉公司，
类型：发明
国别省市：