使用微波等离子体处理的单晶阴极材料制造技术

本文公开了使用原料和微波等离子体处理用于合成亚微米级或微米级单晶阴极(SCC)材料(例如NMC)的系统和方法。这些SCC材料的微波等离子体处理提供了低成本、可扩展的方法。在一些实施方案中，可以通过原料材料的微波等离子体处理合成高级SCC材料，其中SCC材料可以包含至少80％的镍。在一些实施方案中，微波等离子体处理能够实现用非常短的煅烧时间合成SCC材料。料。料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用微波等离子体处理的单晶阴极材料
[0001]通过引用并入任何优先权申请
[0002]本申请在2021年1月19日提交的美国临时申请号63/139,198的35U.S.C.
§
119(e)下要求优先权益处，其全部公开内容通过引用并入本文。


[0003]本公开的一些实施方案涉及用于使用微波等离子体处理从原料生产或合成单晶阴极材料的系统和方法。

技术介绍

[0004]氧化物基锂离子阴极的镍含量已经趋于稳定地上升，以在便携式电源和汽车应用两者中能够实现更高的能量密度。然而，稳定性和反应性问题减缓了NMC 811在市场上的采用。NMC 811是具有80％的镍、10％的锰和10％的钴的阴极组合物。
[0005]高镍过渡金属氧化物阴极材料(例如锂镍钴锰氧化物(NCM或NMC)和锂镍钴铝氧化物(NCA))遭受由其镍含量引起的若干种失效模式。每种失效模式至少部分是由于LNO晶格中相对较弱的氧键合和锂层中Ni
2+
离子的较高稳定性。
[0006]一种失效模式包含在氧被氧化和损失的带电状态下该结构的本体去稳定，留下Ni
2+
，其从过渡层迁移到锂层中。这种失效是电化学电池中锂损失的直接结果，这进而引起电压窗口向上迁移，并且阴极处的充电电压缓慢增加。这是一种循环失效，其引起对锂扩散的阻力增加和倍率性能降低。
[0007]另一种失效模式包括镍氧化态的损失，其中晶界处的有序层状结构让位于尖晶石和NiO。由于NiO中的锂扩散差得多，直接影响倍率性能。这种失效还引起结晶聚结物的内聚力降低，这促进了当晶体在循环期间膨胀和收缩时颗粒沿晶界的破裂。因此，当晶粒内部断开时，倍率性能的损失伴随着容量的损失。
[0008]又一种失效模式包含在未涂布的材料的表面处的电解质不稳定性。这里，Ni
4+
氧化物用作催化表面，其引起放气和电解质溶剂的其它分解途径。
[0009]虽然用作表面涂层和电解质制剂的NMC 811部分解决了上述问题，预期单晶NMC 811能够实现进一步改进。单晶阴极材料(SCC)通过解决高镍材料的失效模式的机制已证明在循环寿命、反应性和安全性方面的益处。即，SCC材料没有脆弱的颗粒内晶界。此外，SCC晶粒表面具有较低的表面积，并且与它们的多晶对应物相比相对无缺陷，减轻了一些失效模式。因此，单晶材料能够实现NMC 811和更高的镍含量，因为减少或消除了一种或多种失效模式。
[0010]尽管SCC形态通常可以直接用另外的处理生产镍含量达到LiNi
0.5
Co
0.2
Mn
0.3
O2(NMC523)，随着镍组成增加超过60％，它变得越来越困难和昂贵。引起电化学不稳定性的相同结构问题也阻碍SCC合成。较弱的锂镍二氧化物(LNO)氧键合阻止生长大晶体所需的高温，例如对于锂钴氧化物(LCO)，因为氧和锂两者都损失，并且产生无序的材料。为了规避这个问题，从业者使用助熔剂来提高在较低温度下过渡金属扩散的速率。这些助熔剂可以是
盐(例如NaCl或LiCl)或过量的氢氧化锂或碳酸锂。即使使用助熔剂，也需要金属氧化物和助熔剂之间的紧密接触以能够实现大晶体。具有显著过量锂的完全熔融的硝酸盐合成已证明在低温下SCC合成所需的快速扩散。还已证明了更传统的共沉淀的氢氧化物，但必须用锂/助熔剂侵蚀性地研磨。来自助熔的过渡金属扩散的提高是有成本的，在煅烧期间形成的硬砖必须通过侵蚀性研磨来破碎。此外，然后必须通过洗涤去除残留的过量的锂/助熔剂，随后进行热处理以修复洗涤损伤。这些方法已经能够实现使阴极材料的单晶的镍含量达到811，但处理成本相当高。
[0011]因此，需要用于合成单晶锂离子阴极材料的改进的系统和方法。

技术实现思路

[0012]为了本概述的目的，本文描述了本专利技术的某些方面、优点和新颖特征。应当理解，根据本专利技术的任何特定实施方案，并非所有这样的优点都是必然实现的。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本专利技术可以以实现如本文所教导的一个优点或一组优点的方式来体现或执行，而不必实现可如本文所教导或建议的其它优点。
[0013]一些方面包括用于合成单晶阴极(SCC)粉末的方法，所述方法包括：提供包含锂、镍和钴的固体或水性原料；将所述原料引入微波产生的等离子体中以生产包含硝酸锂的SCC的固体前体；将所述预SCC产物在约800℃下煅烧约1小时至约5小时以生产聚结的SCC材料；和使所述聚结的SCC材料解聚以生产所述SCC粉末。
[0014]在一些实施方案中，所述SCC粉末包含锂镍钴锰氧化物(NMC)粉末。在一些实施方案中，所述NMC粉末包含NMC
‑
811。在一些实施方案中，所述NMC粉末包含至少80重量％的镍。在一些实施方案中，所述SCC粉末包含锂镍钴铝氧化物(NCA)粉末。在一些实施方案中，所述NCA粉末包含至少80重量％的镍。在一些实施方案中，所述原料进一步包含锰。在一些实施方案中，所述原料进一步包含铝。在一些实施方案中，所述原料包含溶解于水中的锂、镍和钴的硝酸盐或者锂、镍和钴的乙酸盐。在一些实施方案中，所述原料包含氧化镍、氧化锰和氧化钴。
[0015]在一些实施方案中，所述方法进一步包括在将所述原料引入所述微波产生的等离子体中之前喷雾干燥所述原料。在一些实施方案中，所述方法进一步包括在煅烧所述固体产物之前或期间将锂加入到所述固体产物中。
[0016]在一些实施方案中，硝酸锂位于所述预SCC产物的孔内。在一些实施方案中，在微波等离子体炬的羽流的下游将所述原料引入所述微波产生的等离子体，所述等离子炬产生所述微波产生的等离子体。
[0017]一些方面包括单晶阴极(SCC)锂镍钴锰氧化物(NMC)粉末，其通过包括以下步骤的方法形成：提供包含锂、镍、锰和钴的固体或水性原料；将所述原料引入微波产生的等离子体中以生产包含硝酸锂的固体预SCC产物；将所述固体产物在约800℃下煅烧约1小时至约5小时以生产聚结的SCC材料；和使所述聚结的SCC材料解聚以生产所述SCC NMC粉末。
[0018]在一些实施方案中，所述NMC粉末包含NMC
‑
811。在一些实施方案中，所述NMC粉末包含至少80重量％的镍。在一些实施方案中，所述原料包含溶解于水中的锂、镍和钴的硝酸盐或者锂、镍和钴的乙酸盐。在一些实施方案中，所述原料包含氧化镍、氧化锰和氧化钴。
[0019]一些方面包括用于合成单晶阴极(SCC)材料的方法，所述方法包括：提供固体或液
体原料；将所述原料引入微波产生的等离子体中以生产SCC材料的固体前体；和煅烧所述SCC材料的固体前体以生产SCC材料。
[0020]在一些实施方案中，所述SCC材料包含锂镍钴锰氧化物(NMC)粉末。在一些实施方案中，所述NMC粉末包含NMC
‑
811。在一些实施方案中，所述NMC粉末包含至少80重量％的镍。
[0021]在一些实施方案中，所述SCC材料的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于合成单晶阴极(SCC)材料的方法，所述方法包括：提供固体或液体原料；将所述原料引入微波产生的等离子体中以生产SCC材料的固体前体；和煅烧所述SCC材料的固体前体以生产SCC材料。2.权利要求1所述的方法，其中所述SCC材料包含锂镍钴锰氧化物(NMC)粉末。3.权利要求2所述的方法，其中所述NMC粉末包含NMC
‑
811。4.权利要求2所述的方法，其中所述NMC粉末包含至少80重量％的镍。5.权利要求1所述的方法，其中所述SCC材料的固体前体包含具有无序的氧化物微结构的NMC。6.权利要求1所述的方法，其中所述SCC材料的固体前体包含具有填充有硝酸锂的孔的NMC。7.权利要求1所述的方法，其中所述SCC材料包含锂镍钴铝氧化物(NCA)粉末。8.权利要求5所述的方法，其中所述NCA粉末包含至少80重量％的镍。9.权利要求1所述的方法，其中所述SCC材料包含尖晶石或NaFeO2。10.权利要求1所述的方法，其中所述原料包含锰、铝、镁、钛、锆、铁或钠。11.权利要求1所述的方法，其中所述原料包含溶解于水中的锂、镍和钴的硝酸盐或者锂、镍和钴的乙酸盐。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：六K有限公司，
类型：发明
国别省市：