[发明专利]制备用于锂离子电池应用的空气敏感性电极材料的方法和装置

说明书

发明领域

本发明涉及用于空气敏感性材料的大规模生产的反应室，特别是锂电池用电极材料的合成的反应室。

发明背景

氧化和还原反应通常用于无机结晶材料的合成。关于用于Li-离子电池的电极材料包括阴极和阳极材料的合成尤为如此。通常，在氧化环境下合成阴极材料，例如氧化锂钴、氧化锂镍、氧化锂锰和这些氧化物的混合物。这些材料可以更加容易地获得，因为氧化热处理环境(例如，在敞开空气环境中的热处理)的控制不困难。相反，还原环境不太可行，因为难以控制还原热处理气氛。这种困难来源于下列事实：在合成的热处理步骤期间，特别是在高温(例如，＞500℃)，热处理过程中的轻微空气泄漏将有害于反应，并且因此使合成材料的质量降级。控制还原气氛的困难性使得大规模生产不太可能或非常昂贵。一个实例是通常在还原或惰性气氛中合成的磷酸锂铁的合成。LiFePO₄型阴极材料已经被论述用于代替锂铁电池应用用的LiCoO₂，原因在于该材料的潜在成本较低(Fe代替Co)和安全的操作特征(在充电过程中没有材料分解)。然而，加工问题例如在惰性或还原气氛下的高温热处理(＞600℃)使得该材料昂贵并且不被广泛接受。直至现在，在高温的还原或惰性气氛的维持仍是限制良好控制合成材料质量的关键因素。确保加热炉的完全密封，特别是当在高温热处理时，是非常困难的。

现有技术例如美国专利5,910,382，6,723,470，6,730,281，6,815,122，6,884,544，和6,913,855，总体上教导了用于化学计量LiFePO₄的形成的方法和前体，或关于铁的阳离子取代。以上提及的专利仅示出如何合成所述材料。现有技术都没有教导如何有效率地并且成本有效地控制热处理环境。

发明目的

本发明的一个目的是提供用于控制热处理环境的方法和装置，所述热处理环境可以广泛地用于合成形成电极材料的材料。本发明的另一个目的是提供成本有效并且保证合成材料的良好质量的方法和装置。

发明概述

本发明是一种在用于在高温使前体进行合成以形成合成产物的合成工艺中，在没有受控气氛的加热炉中使用的部件。所述部件具有用于容纳合成工艺的材料的容器和固体还原材料，所述容器具有至少一个开口，其中合成工艺的材料通过所述容器或所述还原材料与加热炉的气氛分离。

附图简述

从在附图中仅经由实施例显示的本发明的优选实施方案的下列描述，本发明将变得更加容易明显，在所述附图中：

图1(a)和1(b)是本发明的部件的第一实施方案的示意图；

图1(c)和1(d)是本发明的部件的第二实施方案的示意图；

图1(e)是本发明的部件的第三实施方案的示意图。

图2(a)是在用于进行合成工艺的加热炉中的第一和/或第二实施方案的部件的示意图；

图2(b)是在用于进行合成工艺的加热炉中的第三实施方案的部件的示意图；

图3是使用本发明的部件制备的合成电极材料的代表性样品的x-射线衍射图案的图；

图4是显示与图3的材料相同的材料的电池测试数据的图；

图5是关于使用本发明的部件制备的5种类似合成电极材料的x-射线衍射图案的图；和

图6是显示使用本发明的部件制备的10种类似合成电极材料的电池测试数据的图。

发明详述

图1(a)-1(e)显示单独密封部件(ISU)的示意图，该单独密封部件容纳有进行合成热处理的材料。容纳不同几何形状的ISU的加热炉的设计显示在图2(a)和2(b)中。

在图1(a)和1(b)中，ISU 1是一个末端2完全密封而另一个末端3对于大气敞开的容器。要进行合成以形成电极材料的前体被容纳在4中。在整个说明书中，前体、中间产物和合成工艺的产生材料被称为合成工艺的材料。通过容器1的材料或限制来自加热炉气氛的空气渗透的固体还原材料层5，保护4中容纳的合成工艺的材料免受来自其中安置ICU以进行加热的加热炉的气氛的影响。应当提及的是，由于还原材料(例如，炭黑)通常是多孔的，因此还原材料层的多孔性将允许由被合成的材料释放的任何气体副产物向大气渗透。通常，气体副产物或还原材料的氧化将产生气体并且保持ISU内的压力相对于大气为正。然而，如果被合成的材料不产生作为副产物的气体，则降低还原材料层的多孔性(例如借助敲打(tapping)的方式)将保证与大气的分离。