[发明专利]一种利用氧热等离子体快速制备掺杂三元锂离子电池正极材料的方法及装置

说明书

本发明专利技术公开了一种利用氧热等离子体快速制备掺杂三元锂离子电池正极材料的方法及装置，该方法运用放电等离子通过感应线圈脉冲电流对样品提供较低的反应活化自由能及氧元素，使样品快速反应。首先供气系统提供氧气，电源系统为等离子喷枪提供启弧电压和电流，氧气在高频电压和电弧的作用下被电离为氧热等离子体，等离子喷枪将氧热等离子体喷出至反应炉形成氧热等离子体火焰，然后将三元前驱体、掺杂物和锂源的混合粉末通过和压力装置连接的供粉系统送至反应炉氧热等离子体火焰区域，粉末被氧热等离子体火焰烧结，并与氧热等离子体发生氧化反应生成正极材料活性物质，反应完成后成品收集在带冷凝装置的收集器内。

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料制备领域，具体涉及一种利用氧热等离子体快速制备掺杂三元锂离子电池正极材料的方法。

背景技术

锂离子电池目前已成为动力电池的一个重要的技术领域和应用方向，对于锂离子电池，其正极材料对循环寿命、放电能力以及安全性具有关键影响，因此如何制备优良性能的正极材料是提升锂离子电池性能的关键环节。目前，锂离子电池正极材料主要分为：锂镍氧化物（镍酸锂）、锂钴氧化物（钴酸锂）、镍钴多元氧化物（三元镍钴铝酸锂、三元镍钴锰酸锂等）、锂钛氧化物、锂锰氧化物（锰酸锂、高锰酸锂等）、锂铁氧化物（磷酸铁锂等）。三元锂离子电池正极材料镍钴铝（LiNi_xCo_yAl_1-x-yO₂NCA）/镍钴锰（LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂NCM）正极材料综合了镍酸锂和钴酸锂材料的各自优点，具有相对较高的循环稳定性和高比容量，实际比容量可达220mAh/g，因此可满足动力电池对续航里程的高要求。

但是由于目前，三元正极材料前躯体烧结大都在辊道炉和推板炉中进行，这类炉窑采用的都是常规意义的静态堆放式烧结，由于物料堆积，其在煅烧过程中存在易夹生、反应时间长、挥发物排放不完全、匣钵的人工码放强度大、相对产量小、产品品质均匀性低等特点，从而表现为制备的锂离子电池三元正极材料样品锂镍混排严重，表面残碱量过高，材料性能较差等问题。同时商业化的三元材料在循环稳定和安全性上欠佳。

发明内容

鉴于传统三元材料烧结炉窑存在的问题，本发明的第一目的在于提供了一种利用氧热等离子体快速制备掺杂三元锂离子电池正极材料的方法。极大地缩短了烧结时间，解决了传统烧结方式易夹生、挥发物排放不完全的问题，并提供了三元材料掺杂的新方法，提高了固相反应的速率，使得颗粒更加致密，其振实密度大大提高、设备和工艺简单，产物的一致性和性能好。

本发明的第二目的在于提供一种利用氧热等离子体快速制备掺杂三元锂离子电池正极材料的装置。

本发明的第一目的是通过以下技术方案解决的：

一种氧热等离子体烧结制备锂离子电池高镍三元正极材料的方法，（1）首先供气系统提供氧气工作气体，电源系统为等离子喷枪提供启弧电压和电流，氧气工作气体在高频电压和电弧的作用下被电离为氧热等离子体，等离子喷枪将氧热等离子体喷出至反应炉形成氧热等离子体火焰；

（2）将锂电三元正极前驱体、掺杂物和锂源的混合粉末通过供粉系统送至反应炉氧热等离子体火焰区域，粉末被氧热等离子体火焰烧结，氧热等离子体提供氧作为反应物发生氧化反应，快速氧化反应生成正极材料活性物质；

（3）最后正极材料活性物质由氧化反应炉喷雾出口均匀落下，产物经过快速淬冷后收集得目标物。