BR112021015499A2 - Método e aparelho para produzir um material de cátodo ternário - Google Patents

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Abstract

método e aparelho para produzir um material de cátodo ternário. trata-se de um método para produzir um material de cátodo ternário (130) para baterias de lítio mediante a torrefação da matéria-prima (110) em um forno de torrefação (120), sendo que uma atmosfera é fornecida no forno de torrefação (120), sendo que a injeção de um componente de gás (a) da atmosfera no forno de torrefação (120) é controlada em uma maneira de controle em circuito fechado, com base em ao menos um parâmetro que influencia o processo sendo medido, bem como um aparelho para produzir um material de cátodo ternário (130).

Description

MÉTODO E APARELHO PARA PRODUZIR UM MATERIAL DE CÁTODO TERNÁRIO CAMPO TÉCNICO
[001] A invenção se refere a um método e a um aparelho para produzir um material de cátodo ternário para baterias de lítio através da torrefação de matéria-prima em um forno de torrefação
TÉCNICA ANTERIOR
[002] O mercado de veículos elétricos e híbridos está crescendo rapidamente. Isso cria uma demanda crescente por baterias de lítio ou de íons de lítio que são tipicamente usadas na indústria automotiva. As baterias de lítio contêm material de cátodo e material de ânodo, entre outros componentes. Os processos para produzir esses materiais e seus componentes tipicamente usam gases como oxigênio, nitrogênio e argônio.
[003] Devido à demanda por veículos elétricos e híbridos de longo alcance, há uma demanda pela indústria de baterias de lítio para buscar materiais de cátodo com razão de energia mais alta e soluções correspondentes. Os chamados materiais de cátodo ternários com densidade energética mais alta tornaram-se uma tendência nessa indústria. Tais materiais de cátodo ternários para baterias de lítio são tipicamente produzidos através da torrefação de matéria-prima em um forno de torrefação, fornecendo uma atmosfera no forno de torrefação.
[004] A presente invenção tem como objetivo aprimorar as possibilidades de se obter produtos a partir de matérias-primas que são torradas em um forno de torrefação e, dessa forma, fornecer baterias de lítio de melhor qualidade.
REVELAÇÃO DA INVENÇÃO
[005] Esse objetivo é alcançado fornecendo-se um método e um aparelho de acordo com as reivindicações independentes.
[006] Um método, de acordo com a invenção, serve para produzir um material de cátodo ternário para baterias de lítio (ou baterias de íons de lítio) através da torrefação de matéria-prima em um forno de torrefação, sendo que uma atmosfera é fornecida no forno de torrefação. Um forno a rolos contínuo ou um forno propulsor são, de preferência, usados como forno de torrefação. Materiais de cátodo ternários típicos e também preferenciais são níquel-cobalto-manganês e níquel-cobalto-alumínio. As temperaturas típicas usadas para tais processos de torrefação estão entre 700°C e 1000°C, sendo que o processo de torrefação dura tipicamente entre 10 e 18 horas.
[007] A reação química que ocorre nesse processo de torrefação pode ser descrita pelas fórmulas a seguir, onde M representa Ni (níquel), Mn (manganês), Co (cobalto) e/ou Al (alumínio): M(OH)2 + 0,5 Li2CO3 + 0,25 O2 = LiMO2 + 0,5 CO2 + H2O M(OH)2 + LiOH.H2O + 0,25 O2 = LiMO2 + 2,5 H2O
[008] Em particular, o oxigênio desempenha um papel importante nesse processo porque ajuda a oxidar, por exemplo, Ni2+ em Ni3+. Entretanto, Ni3+ enfrenta o problema de decomposição se a temperatura prevalecente no forno de torrefação for muito alta. Dessa forma, o material de cátodo ternário poderia ser facilmente decomposto a temperaturas altas ou altas demais. Portanto, o processo de torrefação deve manter sua temperatura o mais baixa possível para assegurar que Ni3+ não sofra decomposição. Um objetivo adicional é fornecer uma distribuição de temperatura uniforme e/ou uma atmosfera uniforme dentro do forno a fim de possibilitar que toda a matéria- prima no forno seja exposta às mesmas condições de processo.
[009] De acordo com a invenção, a injeção de um componente de gás da atmosfera, de preferência oxigênio, no forno de torrefação é controlada em uma maneira de controle em circuito fechado, isto é, por um controle em circuito fechado, com base em ao menos um processo que influencia o parâmetro sendo medido. Em particular, o controle em circuito fechado é executado automaticamente por meio de um módulo de controle ou similar.
[0010] Tal parâmetro que influencia o processo pode ser qualquer parâmetro que influencie o processo. Preferencialmente, o pelo menos um parâmetro que influencia o processo é escolhido dentre parâmetros que caracterizam a matéria-prima, por exemplo, a composição específica da matéria-prima, e/ou que caracterizam a atmosfera, por exemplo, os componentes de gás presentes (como oxigênio, dióxido de carbono) e suas razões específicas ou uma umidade, e/ou que caracterizam o material de cátodo ternário, por exemplo, sua composição específica. A fim de medir tais parâmetros, meios de medição e/ou análise correspondentes podem ser fornecidos em uma posição adequada.
[0011] Vantajosamente, uma lança de injeção de gás é usada para injeção do componente de gás em uma ou mais zonas do forno de torrefação. Em particular, a lança de injeção de gás é instalada ou fornecida em um telhado ou em uma parede lateral do forno de torrefação. No caso de mais de uma zona, uma dessas lanças de injeção de gás pode ser usada para cada zona. Além disso, duas ou mais dessas lanças de injeção de gás podem ser usadas em uma ou mais das zonas. As zonas do forno de torrefação podem ser definidas com base em zonas ou áreas com parâmetros de processo diferentes, como zonas diferentes com temperatura diferente e/ou velocidade diferente para mover a matéria-prima através do forno de torrefação. Tais lanças de injeção de gás permitem uma injeção muito precisa e, consequentemente, uma contribuição muito uniforme de gás no forno de torrefação. As zonas, entretanto, podem também ser atribuídas aos recipientes (saggars) presentes no forno de torrefação.
[0012] Por exemplo, a lança de injeção de gás (ou cada uma das várias lanças de injeção de gás) é dotada de um ou mais bocais tendo uma direção predeterminada. A direção predeterminada pode, de preferência, ser escolhida entre 0° e 90° em relação a um eixo geométrico longitudinal do forno de torrefação. Dessa forma, pode-se possibilitar que a atmosfera e, em particular, o gás injetado se movam em uma direção desejada. Além disso, turbulências ou o movimento de fluxo de gás podem ser gerados por isso.
[0013] De preferência, o componente de gás é fornecido à lança de injeção de gás com uma pressão entre 0,5 bar e 10 bar. Isso possibilita escolher a velocidade com a qual o gás sai da lança ou seu bocal. Por exemplo, a velocidade pode atingir a velocidade do som.
[0014] Vantajosamente, ao menos parte da lança de injeção de gás (ou cada uma dentre várias lanças) é feita de material como aço (aço inoxidável ou liga resistente ao calor e similares) revestido com cerâmica, ou a lança de injeção de gás (ou cada uma dentre várias lanças) é feita de cerâmica. Tal cerâmica, em particular, no caso de seu uso como revestimento, pode ser Al2O3, ZrO, SiC e similares, em particular, com pureza muito alta, a fim de não permitir qualquer contato direto do material, como aço ou outras partes de metal, com a atmosfera no forno.
[0015] O método proposto possibilita que o oxigênio, que é necessário para tal processo, seja exposto à matéria-prima de maneira muito uniforme. No caso de vários saggars presentes no forno, por exemplo, cada saggar pode ser exposto a uma quantidade suficiente de oxigênio. Sem tal método, entretanto, menos contato da matéria-prima com oxigênio foi visto nos saggars internos. Observou-se que a matéria-prima nos saggars externos, em contraste, tem melhores chances de entrar em contato com oxigênio. Dessa forma, a qualidade da torrefação não era tão boa para a matéria-prima nos saggars internos ou linhas de saggar. A espessura da camada de matéria- prima teve que ser feita muito fina. Essas desvantagens podem ser superadas com o método proposto.
[0016] O método proposto possibilita, ainda, melhorar a qualidade do material de cátodo ternário para a produção de baterias de lítio, melhorar a estabilidade da qualidade de tal material de cátodo ternário e manter o nível de oxigênio (ou nível de outros componentes de gás) estável de modo a satisfazer o requisito de processo de torrefação para material específico em cada zona do forno. Além disso, é fornecida uma possibilidade de aprimoramento da capacidade de produção. O consumo de energia e o volume de gás de fluxo podem ser reduzidos.
[0017] Deve-se notar que o método proposto também pode ser usado para transformar outras matérias-primas em produtos correspondentes por meio de tal forno de torrefação. Por exemplo, o material de cátodo de fosfato de ferro e lítio (LFP), ou o material de ânodo de grafeno pode ser produzido a partir da matéria-prima correspondente.
[0018] Um objetivo adicional da invenção é um aparelho para produzir um material de cátodo ternário para baterias de íons de lítio, incluindo um forno de torrefação no qual uma atmosfera e a matéria-prima a ser torrada podem ser fornecidas. O aparelho inclui também meios de injeção para injeção de um componente de gás da atmosfera no forno de torrefação e meios de controle para controlar a injeção do componente de gás de uma maneira de controle em circuito fechado, com base em ao menos um processo que influencia o parâmetro sendo medido. Meios de medição podem ser fornecidos para medir tal parâmetro. Os meios de injeção incluem, de preferência, uma ou mais lanças de injeção de gás, a lança de injeção de gás tendo um bocal em sua extremidade, o bocal tendo uma direção predeterminada entre 0° e 90°, de preferência entre 20° e 70°, em relação a um eixo geométrico longitudinal da lança de injeção de gás. De preferência, o aparelho é adaptado para executar um método de acordo com a invenção.
[0019] Em relação a modalidades e vantagens adicionais do aparelho de acordo com a invenção, é feita referência às declarações acima para evitar repetição.
[0020] A invenção será agora adicionalmente descrita com referência aos desenhos anexos, que mostram uma modalidade preferencial.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0021] A Figura 1 mostra esquematicamente um aparelho, com o qual o método da presente invenção pode ser vantajosamente implementado.
[0022] A Figura 2 mostra esquematicamente uma lança de injeção de gás como parte do aparelho da Figura 1 em mais detalhes.
[0023] A Figura 3 mostra a lança de injeção de gás da Figura 2 em uma vista diferente.
DESCRIÇÃO DETALHADA DOS DESENHOS
[0024] Na Figura 1, é mostrado um aparelho 100 de acordo com a invenção em uma modalidade preferencial. Tal aparelho pode ser usado e adaptado para executar um método de acordo com a presente invenção. A seguir, o aparelho e o método correspondente serão descritos juntos.
[0025] O aparelho 100 inclui um forno de torrefação 120, por exemplo, sob a forma de um forno a rolos contínuo, por meio do qual a matéria-prima 110 é torrada para se obter o material de cátodo ternário 130. A matéria-prima 110 pode ser alimentada ao forno de torrefação 120, no forno de torrefação 120, a matéria-prima pode ser movida em linhas de saggar 125, por exemplo.
[0026] Durante o tempo em que a matéria-prima se move dentro do forno de torrefação 120, ela é torrada e submetida a uma transformação no material de cátodo ternário desejado 130. No que diz respeito à transformação, é feita referência às fórmulas acima mencionadas. Depois que a matéria-prima é completamente transformada no final do forno de torrefação 120, o produto, isto é, o material de cátodo ternário 130, pode ser removido do forno.
[0027] No forno de torrefação 120, é fornecida uma atmosfera que inclui componentes de gás diferentes como oxigênio (puro ou predominantemente puro), ar e gás de combustão. A título de exemplo, oxigênio ou uma alimentação de oxigênio é denotada por numeral a, ar ou uma alimentação de ar é denotada por numeral b e gás de combustão (como nitrogênio) ou uma alimentação de gás de combustão é denotada por numeral c.
[0028] Esses componentes de gás a, b e c são alimentados para dentro do forno de torrefação 120 através de um meio de controle ou módulo de controle 150. Por meio do módulo de controle 150, o fluxo de cada um desses componentes de gás pode ser controlado.
[0029] Na modalidade mostrada, o oxigênio a é alimentado no forno de torrefação 120 através de três lanças de injeção de gás 140, fornecidas, a título de exemplo, em diferentes zonas 126 ao longo da trajetória de movimento da matéria-prima no forno de torrefação 120. O módulo de controle 150 pode ser adaptado de modo que o oxigênio a (isto é, seu fluxo de massa), que é fornecido ao módulo de controle, possa ser distribuído entre essas três lanças de injeção de gás 140 por uma razão predeterminada e variável.
[0030] A fim de determinar uma razão atualmente preferencial do fluxo de oxigênio entre as lanças de injeção de gás 140, por um lado, e um fluxo de massa absoluta de oxigênio para cada uma das lanças de injeção de gás, por outro lado, diferentes parâmetros que influenciam o processo de torrefação podem ser medidos e alimentados ao módulo de controle para estabelecer um controle em circuito fechado.
[0031] A título de exemplo, são fornecidos um meio de medição e/ou analisador 111 para medir ou analisar um parâmetro que caracteriza a matéria-prima 110, um meio de medição e/ou analisador 121 para medir ou analisar um parâmetro que caracteriza a atmosfera e um meio de medição e/ou analisador 131 para medir ou analisar o material de cátodo ternário 130. Cada um desses meios pode alimentar os resultados de medição ou análise, sob a forma de um sinal, para o módulo de controle 150 de modo que esses resultados possam ser usados para alterar (ou manter) o fluxo de oxigênio.
[0032] Deve-se notar que os fluxos de ar b e/ou gás de combustão c também podem ser alterados da mesma forma, se necessário ou conveniente. Além disso, a pressão da atmosfera do forno de torrefação também pode ser medida e controlada.
[0033] Na Figura 2, uma lança de injeção de gás 140 que faz parte do aparelho 100 da Figura 1 é mostrada em mais detalhes e em uma vista em perspectiva. Na Figura 3, a lança de injeção de gás 140 da Figura 2 é mostrada em uma vista em corte.
[0034] A partir da extremidade esquerda, o oxigênio pode ser fornecido à lança de injeção de gás 140. À medida que essa lança 140 é alimentada no forno de torrefação 120, o oxigênio pode ser transferido para o forno. Na extremidade direita ou de entrada 141, a lança de injeção de gás 140 compreende um bocal 142. Esse bocal 142 é fornecido sob a forma de um canal com um certo ângulo em relação à direção longitudinal ou eixo geométrico da lança de injeção de gás 140 (e, de preferência, também em relação a outras direções).
[0035] Por meio de tal bocal (vários bocais também podem ser fornecidos em uma lança), o oxigênio pode ser injetado no forno de torrefação com uma velocidade desejada e com uma direção desejada. A direção final com a qual o oxigênio é injetado é determinada pela orientação do bocal (ou canal) 142 na lança de injeção de gás 140 e pela orientação na qual a lança de injeção de gás 140 é disposta no forno de torrefação 120.
[0036] Conforme mencionado anteriormente, a lança de injeção de gás 140 pode ser feita de material cerâmico ou de aço (ou aço inoxidável) coberto com tal cerâmica. Basicamente, apenas a parte da lança a ser colocada dentro do forno de torrefação precisa ser coberta com ou ser feita de cerâmica ou de outro material similar a fim de evitar os danos causados pela oxidação.
[0037] Fornecendo-se um número desejado de tais lanças e fornecendo-se essas lanças com uma orientação desejada (em relação aos seus bocais), uma distribuição muito uniforme de oxigênio no forno de torrefação
120 ou sua atmosfera pode ser obtida.
Como resultado, o material de cátodo ternário pode ser produzido de uma maneira melhor e mais eficiente.

Claims (13)

REIVINDICAÇÕES
1. Método para produzir um material de cátodo ternário (130) para baterias de lítio mediante a torrefação da matéria-prima (110) em um forno de torrefação (120), em que uma atmosfera é fornecida no forno de torrefação (120), caracterizado pelo fato de que a injeção de um componente de gás (a) da atmosfera no forno de torrefação (120) ser controlada em uma maneira de controle em circuito fechado, com base em ao menos um processo que influencia o parâmetro sendo medido.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma lança de injeção de gás (140) ser usada para injeção do componente de gás (a) em uma ou mais zonas (126) do forno de torrefação (120).
3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a lança de injeção de gás (140) ser dotada de um ou mais bocais (142) que têm uma direção predeterminada.
4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a direção predeterminada ser escolhida entre 0° e 90° em relação a um eixo geométrico longitudinal do forno de torrefação (120).
5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 2 a 4, caracterizado pelo fato de que o componente de gás ser fornecido à lança de injeção de gás (140) com uma pressão entre 0,5 bar e 10 bar.
6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 5, caracterizado pelo fato de que a lança de injeção de gás (140) ser, ao menos em parte, feita de material revestido com cerâmica ou ser feita de cerâmica.
7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um parâmetro que influencia o processo ser escolhido entre parâmetros que caracterizam a matéria-prima (110) e/ou a atmosfera e/ou o material de cátodo ternário (130).
8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o componente gasoso (a) da atmosfera ser oxigênio.
9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o material de cátodo ternário (130) incluir níquel-cobalto-manganês ou níquel-cobalto-alumínio.
10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que um forno a rolos contínuo um forno propulsor ser usado como o forno de torrefação (120).
11. Aparelho (100) para produzir um material de cátodo ternário (130) para baterias de íons de lítio, incluindo um forno de torrefação (120) no qual uma atmosfera e matéria-prima (110) a ser torrada podem ser fornecidas, caracterizado pelo fato de que incluir meios de injeção (140) para injeção de um componente de gás (a) da atmosfera no forno de torrefação (120), incluindo adicionalmente meios de controle (150) para controlar a injeção do componente de gás (a) em uma maneira de controle em circuito fechado, com base em ao menos um processo que influencia o parâmetro sendo medido.
12. Aparelho (100) de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que os meios de injeção (140) incluírem uma ou mais lanças de injeção de gás, sendo que a lança de injeção de gás tem um bocal em sua extremidade, sendo que o bocal tem uma direção predeterminada entre 0° e 90°, de preferência entre 20° e 70°, em relação a um eixo geométrico longitudinal da lança de injeção de gás, e/ou a lança de injeção de gás ser instalada em um telhado ou em uma parede lateral do forno de torrefação.
13. Aparelho (100) de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que ser adicionalmente adaptado para executar um método, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10.
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