[发明专利]一种锂离子电池正极材料金属氧化物包覆改性的系统及方法

说明书

本发明涉及一种锂离子电池正极材料金属氧化物包覆改性的系统及方法，所述系统主要包括料仓、螺旋进料器、进料阀、流化床反应器、出料阀、产品冷却器、产品收集器、燃烧器、反应载气预热器、反应原料发生器、反应原料喷嘴、流化载气预热器、一级旋风分离器、二级旋风分离器、布袋收尘器和盐酸尾气吸收器按照既定组合形成；所述方法是基于所述系统的金属氧化物包覆改性方法，通过流态化化学气相沉积得到金属氧化物包覆正极复合粉体。本发明具有包覆效率高、工艺简单可控、成本低等优点，适合锂离子电池金属氧化物包覆改性正极材料的规模化工业生产，具有良好的经济效益和社会效益。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料、化工领域，具体涉及一种锂离子电池正极材料金属氧化物包覆改性的系统及方法。

背景技术

近年来，随着新能源汽车的快速发展，人们对锂离子动力电池的性能提出了更高的要求。电极材料作为锂离子电池的核心组成部分，决定着锂离子电池的性能。相对发展成熟稳定的商业石墨负极，针对于高容量、长寿命、低成本和安全环保的正极材料研发显得尤为迫切。目前商用的锂离子电池正极材料，主要有层状结构的钴酸锂、三元材料、尖晶石结构的锰酸锂以及橄榄石结构的磷酸铁锂。其中三元材料具有较高的比容量、能量密度和功率密度。然而三元材料的电化学性能、热稳定性和结构稳定性仍需进一步提高，尤其是在高温以及高电位测试(高于4.2V)环境下。随着镍含量的提高，这些问题显得尤为突出，严重限制了材料的发展和应用。

金属氧化物包覆是一种非常有效可行解决该问题的办法，通过金属氧化物包覆可以作为保护层隔绝电解液与正极材料的直接接触，减少相关副反应，如减少过渡金属的析出，形成更薄的SEI膜、降低氧原子的析出等，从而提高材料的电化学稳定性。另外选择合适的包覆材料，材料的电子导电性、离子导电性和热稳定性也可以得到显著地提高。因此，金属氧化物包覆改性对锂离子电池正极材料的性能改善意义重大。

目前，锂离子电池正极材料的金属氧化物包覆方法主要分为两大类，分别是液相混合结合烧结和机械球磨混合法。

(1)液相混合结合烧结：液相混合结合热处理方法是最主流的金属氧化物包覆方法，具体是指将正极材料和含金属前驱体溶液进行混合，经过热处理制备金属氧化物包覆材料。北京化工大学的专利CN101510606B将铝的盐溶液与尖晶石型锰酸锂的悬浊液混合，经悬浊液干燥(50～150℃下恒温6～24小时)和热处理(300～600℃下恒温5～15小时)获得氧化铝包覆锰酸锂正极材料。宁德新能源科技有限公司的专利CN103178258B通过将锂镍钴锰氧前驱体、水溶性铝盐和均散剂液相混合，过滤干燥后在400～600℃下热处理获得氧化铝包覆三元材料。欧赛新能源科技有限公司的专利CN103441267A将含钛化合物分散到分散剂中，再加入钴酸锂粉体，经混合、烘干和焙烧后得到二氧化钛包覆的钴酸锂正极材料。天津大学的专利CN103985863A以硝酸铈为原料，采用控制pH值的溶胶-凝胶法和聚乙烯醇辅助的悬浮混合法制备氧化铈包覆磷酸铁锂正极材料。中南大学的专利CN102637871A将钒源溶解于介质形成溶液，接着加入正极材料，经干燥和高温烧结得到五氧化二钒包覆的正极材料，其中高温烧结时间长达10～32小时。东莞新能源科技有限公司的专利CN101834289B将锆盐溶液与正极材料混合，在60～200℃下干燥和800～1000℃下焙烧，形成表面包覆二氧化锆的正极材料。无锡星波能源科技有限公司(CN104577128A)、辽宁石油化工大学(CN102244260A)、江南大学(CN104134795A)、福州大学(CN106252641A)、无锡晶石新型能源有限公司(CN107275619A)和新乡学院(CN108336348A)也公开了工艺类似的专利。为了使烧结更彻底，形成稳定的包覆层，这些专利都采用了预热(200～500℃)结合中低温(600～1000℃)热处理，热解时间普遍长达12～24小时，甚至有32小时。液相混合结合烧结工艺带来的材料过滤、洗涤和烧结过程工艺复杂，处理时间冗长，会造成生产效率降低和成本的升高。同时存在的氧化物形成过程自形核的问题，也影响金属氧化物包覆对电化学性能的改善效果，性能提升效果仍有待改善。