CN104937747A - 阴极活性材料涂层 - Google Patents

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Abstract

本公开内容的实施方式涉及用于形成具有薄保护涂层的阴极活性材料的粒子的装置和方法。该薄保护涂层改良阴极活性材料的循环和安全性能。可在阴极活性材料的粒子形成期间的多个阶段添加涂层前驱物。该化学物薄层可为完全涂层或部分涂层。该涂层可包括诸如氧化物的化学物薄层，以改良阴极活性材料的循环性能和安全性能。

Description

阴极活性材料涂层
领域
本公开内容的实施方式一般涉及高能电池。更特定言之，本文公开用于形成高能锂电池的阴极活性材料的方法和装置。
背景
快速充电、大容量能量存储装置(诸如超级电容器和锂(Li)离子电池)用于越来越多的应用中，包括便携式电子设备、医疗设备、运输工具、并网大能量存储装置、可再生能源存储装置和不断电供应系统(UPS)。
现代的可充电能量存储装置一般包括阴极、阳极、设置于阴极与阳极之间的电解质及分离阴极和阳极的隔板。在大多数市售的锂离子电池中，阴极为金属锂离子源，通常为锂过渡金属氧化物，诸如LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2或Ni、Li、Mn和Co氧化物的组合。阳极为金属离子槽，例如石墨或硅。阴极和阳极两者还包括非活性材料，诸如导电碳和聚合物粘合剂，以确保所述电极的良好的电子和机械性质。隔板提供阴极与阳极之间的电子传输的分离。在所有的部件之间，阴极活性材料影响可充电能量存储装置的多种参数，诸如充电/放电容量、速率性能、循环性能和安全性。
因此，需要用于形成具有改良性能的阴极活性材料的装置和方法。
概述
本文描述用于形成涂覆的阴极活性材料的装置和方法。
本公开内容的一个实施方式提供一种装置，该装置通过连续流程(continuous flow)形成阴极活性材料。该装置包括混合单元，该混合单元生成前驱物混合物或前驱物溶液；合成单元，该合成单元耦接至该混合单元，以从该前驱物混合物或前驱物溶液合成阴极活性材料的粒子；冷却单元，该冷却单元耦接至该合成单元的出口；传送(transferring)通道，该传送通道耦接至该冷却单元的下游；收集单元，该收集单元连接至传送通道，以用于收集阴极活性材料的粒子；和退火单元，该退火单元在该收集单元下游，以退火阴极活性材料的粒子。该装置进一步包括涂层源单元，该涂层源单元将涂层前驱物提供至该装置，以在阴极活性材料的粒子上形成涂层。该涂层源单元设置于混合单元、合成单元、传送通道、收集单元或退火单元处。或者，独立的涂覆单元耦接在收集单元与退火单元之间，或该独立的涂覆单元为单独单元。
本公开内容的另一实施方式提供一种用于形成阴极活性材料的方法。该方法包括以下步骤：形成包含金属离子的前驱物混合物或前驱物溶液；合成前驱物混合物或前驱物溶液，以形成阴极活性材料的粒子；冷却且传送所述阴极活性材料的粒子至收集单元；将所述阴极活性材料的粒子收集在收集单元中，和退火所收集的阴极活性材料的粒子。该方法进一步包括添加涂层前驱物，以在所述阴极活性材料的粒子上形成涂层。添加涂层前驱物的步骤在以下时间之一期间执行：形成前驱物混合物或前驱物溶液；冷却且传送所述阴极活性材料的粒子；收集阴极活性材料的粒子；在收集所述阴极活性材料的粒子之后及退火所述阴极活性材料的粒子之前，退火所述阴极活性材料的粒子；和在退火所述阴极活性材料的粒子之后执行。
附图简要说明
可详细理解本公开内容的上述特征结构的方式，即以上简要概述的本公开内容的更特定描述可参阅实施方式进行，其中一些实施方式在附图中图示，以便可详细了解上文所述的本公开内容的特征。然而，应注意，附图仅图示本公开内容的典型实施方式，且因为本公开内容承认其他同等有效的实施方式，所以所述附图并不欲视为本公开内容的范围的限制。
图1为根据本公开内容的一个实施方式的用于形成阴极活性材料的系统的示意图。
图2A为根据本公开内容的一个实施方式的用于形成具有涂层的阴极活性材料的方法的流程图。
图2B为根据本公开内容的一个实施方式的用于形成具有涂层的阴极活性材料的方法的流程图。
图2C为根据本公开内容的一个实施方式的用于形成具有涂层的阴极活性材料的方法的流程图。
图2D为根据本公开内容的一个实施方式的用于形成具有涂层的阴极活性材料的方法的流程图。
图2E为根据本公开内容的一个实施方式的用于形成具有涂层的阴极活性材料的方法的流程图。
图2F为根据本公开内容的一个实施方式的用于形成具有涂层的阴极活性材料的方法的流程图。
图3示意性地图示根据图2B中所示的方法的用于涂覆阴极活性材料的反应。
图4A为一图表，该图表图示具有多种阴极活性材料的电池的第一次循环充电/放电曲线。
图4B为一图表，该图表图示具有多种阴极活性材料的电池的第二次循环充电/放电曲线。
图4C为一图表，该图表图示具有多种阴极活性材料的电池的循环性能。
为便于理解，在适用之处，相同标号已用于指定诸图共有的相同元件。意欲在本发明的一个实施方式中所公开的元件可有利地用于其它实施方式而无需叙述。
具体描述
本公开内容的实施方式涉及用于形成快速充电大容量能量存储装置的阴极活性材料的装置和方法。更特定言之，本公开内容的实施方式涉及用于形成具有薄保护涂层的阴极活性材料的粒子的装置和方法。该薄保护涂层改良该阴极活性材料的循环和安全性能。可在阴极活性材料的粒子形成期间的多种阶段添加涂层前驱物。该化学物薄层可为完整涂层或部分涂层。该涂层可包括化学物薄层(诸如氧化物薄层)，以改良该阴极活性材料的循环性能和安全性能。
图1为根据根据本公开内容的一个实施方式的用于形成阴极活性材料的系统100的示意图。根据本公开内容的实施方式，系统100经配置以使用受控的连续流程方法合成阴极活性材料或其他的固体材料的粒子。
系统100可包括混合单元110，该混合单元110配置为生成用于待生产的固体材料的前驱物溶液或前驱物混合物。系统100还可包括耦接至混合单元110的下游的合成单元120。合成单元120配置为合成前驱物溶液或前驱物混合物，以形成固体材料的粒子，诸如阴极活性材料的粒子。合成单元120可包括液滴产生器112、烘干机114和反应器116。液滴产生器112用于生成液滴，该液滴用于生产粉末状材料，该液滴产生器连接至混合单元110的下游。烘干机114和反应器116连接至液滴产生器112的下游。烘干机114和反应器116提供用于将液滴转换为固体粒子的多级高温反应器。冷却单元130和传送通道134将烘干机114和反应器116连接至用于收集合成粒子的收集单元140。系统100还可包括退火单元150，以用于在封装之前进行热处理。退火单元150可连接至收集单元140。
在操作期间，前驱物流从混合单元110流至液滴产生器112。液滴产生器112可设置于烘干机114内或耦接至烘干机114。从液滴产生器112将前驱物分散进入烘干机114，且流动穿过烘干机114进入连接于烘干机114下游的反应器116中。前驱物流流出反应器116至冷却单元130，随后穿过传送通道134至收集单元140，且随后到达退火单元150，该退火单元150有选择地耦接至收集单元140，在收集单元140处形成固体材料的最终产物。
本公开内容的实施方式还包括涂层源单元，该涂层源单元用于在制造工艺期间将涂层材料(诸如阴极活性材料)引入至固体材料。如图1所示，涂层源单元可定位于连续流程工艺的多个阶段中。举例而言，涂层源单元170A可耦接至混合单元110，以形成包含涂层前驱物的前驱物混合物，以便在烘干机114和反应器116中合成具有涂层材料的粒子。或者，涂层源单元170B可耦接至冷却单元130的下游，以将涂层液体或气体引入至经冷却和合成的固体材料。或者，涂层源单元170C可耦接至收集单元140，以在收集工艺期间将涂层材料添加至经合成固体材料。或者，涂覆源单元170D可耦接至退火单元150，以在退火期间引入该涂层材料。或者，系统100可包括独立涂覆站160A，该涂覆站160A设置于收集单元140与退火单元150之间，以单独执行涂覆功能。独立涂覆站160A可包括涂层源单元170E，以将涂层溶液引入至经合成和收集的固体材料。或者，在退火工艺之后，系统100可包括单独涂覆站160B。单独涂覆站160B可包括涂层源单元170E，以将涂层溶液引入至所退火的固体材料。
混合单元110配置为生成包括用于待生产的固体材料的前驱物的溶液或浆料。混合单元110可包括混料机101、用于将一或更多固体前驱物供应至混料机101的前驱物源102和用于将溶剂或液体基料供应至混料机101的溶剂/液体基料源103。容器104可连接至混料机101，以存储制备的溶液或浆料。在一个实施方式中，涂层源单元170A耦接至混料机101，以将涂料供应至混料机101。
为制造阴极活性材料，前驱物源102可包括包含金属离子(诸如锂、镍、钴、铁、锰、钒和镁离子)的前驱物。在一个示例性实施方式中，使用锂、镍、锰、和铁。金属离子可为盐形式，该盐具有在产出反应物质的适当条件下可分解的阴离子。所述阴离子包括无机阴离子，诸如硝酸根、亚硝酸根、磷酸根、亚磷酸根、膦酸酯、硫酸根、亚硫酸根、磺酸根、碳酸根、碳酸氢根、硼酸根及以上各者的混合物或组合。也可使用有机离子代替无机离子或与无机阴离子组合使用，所述有机离子诸如醋酸根、草酸根、柠檬酸根、酒石酸根、顺丁烯二酸根、乙酸根、丁酸根、丙烯酸根、苯甲酸根及其他类似阴离子、或以上各者的混合物或组合。
前驱物源102还可包括含碳组分，诸如用于形成非晶碳粒子的前驱物。非晶碳粒子可在阴极活性材料的粒子周围聚结，且在一些情况下最终与电池活性粒子沉积，为沉积介质提供改良导电率以及密度和孔隙率优势。
前驱物源102还可包括含氮化合物，以促进自液滴形成均匀的核，以便获取阴极活性材料的固体球体粒子。所述化合物可包括尿素、硝酸铵、甘胺酸和氨。
溶剂/液体基料源103可包括水、醇、酮、醛、羧酸、胺、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、丙二醇、丙酮、甲基乙基酮、甲醛、乙醛、乙酸、顺丁烯二酸、顺丁烯二酸酐、苯甲酸、乙酸乙酯、乙酸乙烯酯、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、苯、甲苯及轻石蜡或以上各者的混合物。
由涂层源单元170A所供应的涂层材料可包括用于在阴极活性材料的表面上形成化学涂层的薄层的前驱物，涂层诸如Al2O3、AlF3、LiAlO2、AlPO4、ZrO2、ZrF4、SiO2、SnO2、MgO。可引入适当数量的涂层前驱物，以使得由系统100生产的阴极活性材料包括少于该涂层材料3％的重量。在一个实施方式中，涂层源单元170A可包括包含Al(NO3)3或烷基铝的前驱物，该前驱物用于在阴极活性材料上形成包含Al2O3的涂层材料。
液滴产生器112配置为生成用于生产粉末状材料的液滴。液滴产生器112可包括分散构件107。分散构件107可为雾化器、喷雾器或单分散性或半单分散性液滴产生器，可经操作以生产具有均匀大小的小液滴。如图1所示，分散构件107可设置于烘干机114的内部以将液滴分散于烘干机114中。液滴产生器112还可包括泵105，泵105配置为产生从容器104至分散构件107的压力流。选择性地，可将过滤器106耦接在泵105与分散构件107之间。在一个实施方式中，经过滤的空气流可经由过滤器113提供至分散构件107，以为源自分散构件107的液滴提供一些分离。
烘干机114和反应器116形成塔，其中烘干机114在反应器116的上方。烘干机114可界定内部空间115。分散构件107可设置为将产自溶液/浆料的液滴分散至内部空间115。可将加热空气流118输送至内部空间115，以加热液滴，或从液滴中蒸发一些或全部液体。在一个实施方式中，加热气体流118可自过滤器111供应至加热器108，随后穿过喷淋头109到达内部空间115。
烘干机114中的加热气体流118从液滴中蒸发一些或全部液体，增加所述液滴的温度，且导致粒子从接近在反应器116的进口处的环境温度(ambienttemperature)至接近在反应器116出口处的500℃的反应温度或较低温度出现。取决于在烘干机114中执行的干燥程度，退出烘干机114的中间材料可为夹杂在气流中的粒子干燥粉末、夹杂在气流中的粒子潮湿粉末、夹杂在气流中的液体液滴及粒子集合或夹杂在气流中的液体液滴集合。所述粒子可为纳米尺寸的粒子或微米尺寸的粒子或以上尺寸的粒子的混合物。上述粒子可为从液体前驱物材料中沉淀而来的金属盐粒子、混合金属盐及氧粒子(此表示金属粒子部分转化为阴极活性材料)及完全转换为主要包含金属粒子及氧的阴极活性材料的粒子。
反应器116配置为将金属离子转换为阴极活性材料。反应器116包括内部空间117，该内部空间117用于使来自烘干机114的中间材料反应且经合成为所要的固体材料。取决于中间材料的组成，反应器116中的反应温度可变。在一个实施方式中，反应温度可以为约1000℃。在另一个实施方式中，反应温度可为低于约500℃，例如低于约400℃。反应器116可包括温度控制工具，诸如加热器和/或冷却管，以在所要的温度下执行反应。在一个实施方式中，反应器116可经定位垂直地位于烘干机114下方，以便反应器116的内部空间117与烘干机114的内部空间115连接。在一个实施方式中，反应器116可为具有绝热壁121及设置于内部空间117中的多个加热元件119的熔炉。
冷却单元130可定位于反应器116的内部空间117的下方。在操作期间，混合物流退出反应器的内部空间117，且进入冷却单元130。混合物流可主要包含阴极活性材料的粒子、排放气体和惰性气体。反应器116中的反应可在高温下发生，且混合物流退出内部空间117。
冷却单元130可包括应用于传送通道134的外壁的冷却工具132，以去除由外壁传导的热量。冷却工具132可为流经外表面的气体，或可与冷却液体一同应用的冷却外套。干燥气体源136可流动地耦接至冷却单元130，以在混合物冷却时，控制该混合物的湿度。
在一个实施方式中，涂层源单元170B可耦接至冷却单元130的下游的传送通道134。涂层源单元170B可将涂层液体或涂层气体输送至传送通道134中的固体材料冷却粉末，以在该粉末的粒子上形成薄涂层。自该涂层源单元170B供应的涂层液体或涂层气体可包括用于在阴极活性材料的表面上形成化学涂层的薄层的液体状或气体状材料，涂层诸如Al2O3、AlF3、LiAlO2、AlPO4、ZrO2、ZrF4、SiO2、SnO2、MgO。在一个实施方式中，涂层源单元170B可包括液相/气相的Al(NO3)3或烷基铝，以用于在阴极活性材料上形成包含Al2O3的涂层材料。
收集单元140耦接至传送通道134，以收集固体材料的冷却粉末，诸如活性阴极材料的冷却粉末。收集单元140可包括粒子收集器142和粒子容器144。粒子收集器142可为任何适当的粒子收集器，诸如漩涡机或另一离心收集器、静电收集器或过滤型收集器。收集单元140将气泡从粉末移除，且生成具有均匀纹理的固体材料。
在一个实施方式中，涂层源单元170C可耦接至粒子收集器142。涂层源单元170C可将涂层材料输送至粒子收集器142，以在粒子收集工艺期间在粉末的粒子上形成薄涂层。举例而言，涂层源单元170C可在粒子收集器142的内表面上形成涂层材料薄膜，以便在收集工艺期间，当粒子实体接触和刮擦粒子收集器142的内壁时，在所述粒子上形成涂层。由涂层源单元170C供应的涂层材料可包括用于在阴极活性材料的表面上形成化学涂层的薄层的材料，涂层诸如Al2O3、AlF3、LiAlO2、AlPO4、ZrO2、ZrF4、SiO2、SnO2、MgO。
退火单元150可耦接至粒子容器144，以接收用于退火工艺的固体材料的收集粒子。退火工艺将所收集的固体材料转换为所要的晶体结构，且改良固体材料的电化学性质。退火单元150可包括空气过滤器152、泵154、加热器156和退火容器158。退火容器158耦接至收集单元140中的粒子容器144，以接收所收集的固体材料。在一个实施方式中，阀门146可设置于粒子容器144与退火单元150之间，以有选择地使所收集的粒子从粒子容器144流动至退火容器158。空气过滤器152、泵154和加热器156经直线对准，以将经过滤的加热气体流提供至退火容器158用于退火。退火容器158进一步包括出口，以分配用于进一步工艺或封装的退火固体材料。
在一个实施方式中，涂层源单元170D可耦接至退火容器158。涂层源单元170D可将涂层液体或涂层气体输送至退火容器158，以在退火工艺期间，在粉末的粒子上形成薄涂层。由涂层源单元170D供应的涂层液体或涂层体气可包括用于在阴极活性材料的表面上形成化学涂层的薄层的液体状或气体状材料，涂层诸如Al2O3、AlF3、LiAlO2、AlPO4、ZrO2、ZrF4、SiO2、SnO2、MgO。
如以上所讨论，通过将一个涂层源单元170A、170B、170C或170D整合至连续流程的一个阶段，可将涂层添加至由系统100所产生的固体材料。这些实施方式适于改进现有的固体材料生产系统或配置。或者，可在一独立单元中形成涂层。独立单元可为耦接至退火单元150的上游的涂覆站，诸如涂覆站160A。独立单元可为位于退火单元150的下游，配置为执行涂覆的单独站，诸如涂覆站160B。
独立涂覆站160A可包括用于执行涂覆工艺的涂层容器162，及连接至涂层容器162的涂层源单元170E。涂覆站160A可在涂层容器162中进行沉淀反应，以形成涂层。举例而言，待涂覆的固体材料的粒子可悬浮于涂层材料的溶液中，以进行用于涂覆的反应。涂层源单元170E可输送用于在阴极活性材料的表面上形成涂层的化学物溶液，涂层诸如Al2O3、AlF3、LiAlO2、AlPO4、ZrO2、ZrF4、SiO2、SnO2、MgO。在一个实施方式中，涂层源单元170E可将Al(NO3)3或烷基铝溶液输送至用于在阴极活性材料上形成包含Al2O3的涂层材料的涂层容器162。
单独涂覆站160B与独立涂覆站160A类似，不同之处在于单独涂覆站160B未直接连接至系统100。单独涂覆站可包括用于执行涂覆工艺的涂层容器164，及连接至涂层容器164的涂层源单元170F。完成合成之后，可将固体材料涂覆在单独涂覆站160B中。举例而言，可将来自退火单元150的出口159的固体材料传送至涂层容器164用于涂覆。涂层源单元170F可输送用于在阴极活性材料的表面上形成涂层的化学物溶液，涂层诸如Al2O3、AlF3、LiAlO2、AlPO4、ZrO2、ZrF4、SiO2、SnO2、MgO。在一个实施方式中，涂层源单元170F可将Al(NO3)3或烷基铝溶液输送至涂层容器164用于在阴极活性材料上形成包含Al2O3的涂层材料。
图2A为根据本公开内容的一个实施方式的用于形成具有涂层的阴极活性材料的方法200的流程图。在方法200中，在合成工艺期间当在粒子的表面上隔离涂层前驱物时，涂层材料可直接与前驱物混合，且在固体材料(诸如阴极活性材料)的粒子上形成薄涂层。可使用系统100执行方法200，系统100具有附接于混合单元110的涂层源单元170A。
在框201中，可将涂层化学物或涂层前驱物引入混合单元(诸如系统100的混合单元110)中的前驱物溶液或前驱物混合物。前驱物溶液或前驱物混合物包含涂层前驱物和金属离子，该涂层前驱物和金属离子配置为通过连续流程工艺形成具有薄涂层的阴极活性材料粒子。涂层前驱物可包含一或更多种化学物，该一或更多种化学物适于形成包含Al2O3、AlF3、LiAlO2、AlPO4、ZrO2、ZrF4、SiO2、SnO2、MgO的一或更多者的薄膜。在一个实施方式中，涂层前驱物包含用于在待形成的阴极活性材料上形成包含Al2O3的涂层材料的Al(NO3)3或烷基铝。涂层前驱物在前驱物溶液或前驱物混合物中的比例经设定，以便涂层的重量小于所生产的阴极活性材料的3％。
在框202中，框201中形成的前驱物溶液或前驱物混合物流至合成区段，且合成为具有涂层的粒子。当在系统100中执行方法200时，可使用液滴产生器112、烘干机114和反应器116执行合成工艺。在合成工艺期间，在正形成的固体材料的粒子的表面上隔离且形成涂层前驱物。
在框203中，将其上形成有涂层的粒子在冷却单元(诸如冷却单元130)中冷却，且经由传送工具(诸如传送通道134)传送。
在框204中，将其上形成有涂层的冷却粒子输送至收集单元(诸如系统100的收集单元140)，以俘获所述粒子。俘获工艺(capturing process)可通过任何适当的收集器执行。在一个实施方式中，俘获工艺为漩涡粒子俘获工艺(cyclone particle capturing process)。
在框205中，所俘获的具有涂层的粒子向下流至退火单元，以对所述粒子进行退火。
图2B为根据本公开内容的的一个实施方式的用于形成具有涂层的阴极活性材料的方法210的流程图。在方法210中，在粒子传送期间合成后形成涂层。当所述粒子达到目标温度时，例如通过喷雾将液相或气相涂层前驱物引入合成粒子，因此在粒子上形成涂层。可使用系统100执行方法210，系统100具有附接于冷却单元130的涂层源单元170B。
在框211中，前驱物溶液或前驱物混合物位于混合单元中，诸如系统100的混合单元110。前驱物溶液或前驱物混合物可包括用于形成阴极活性材料的金属离子。
在框212中，框201中形成的前驱物溶液或前驱物混合物流至合成区段，且合成为具有涂层的粒子。当在系统100中执行方法200时，可使用液滴产生器112、烘干机114和反应器116执行合成工艺。
在框213中，所述粒子流至冷却单元(诸如冷却单元130)以进行冷却，且经由传送工具(诸如传送通道134)传送。
在框214中，在经冷却的粒子流入传送通道(诸如传送通道134)的同时，可将涂层化学物或涂层前驱物引入至经冷却粒子，以在所述粒子上形成涂层。
图3示意性地图示根据方法210的框214的涂覆阴极活性材料的反应。如图3所示，粒子流302从反应器116退出至冷却单元130。在一个实施方式中，在冷却单元130中可使用冷却空气303，以冷却粒子流302。当冷却粒子流304继续流动至传送通道134时，从涂层源单元170B将涂层化学物或前驱物流306引入至传送通道134。涂层化学物或前驱物306和经冷却粒子304反应，且形成经涂覆的粒子流308。
涂层化学物或前驱物可包含一或更多化学物，该一或更多化学物适于形成包含Al2O3、AlF3、LiAlO2、AlPO4、ZrO2、ZrF4、SiO2、SnO2、MgO的一或更多者的薄膜。在一个实施方式中，涂层前驱物包含用于在待形成的阴极活性材料上形成包含Al2O3的涂层材料的Al(NO3)3或烷基铝。
在方法210的框215中，将其上形成有涂层的经冷却粒子输送至收集单元(诸如系统100的收集单元140)，以俘获所述粒子。俘获工艺可通过任何适当的收集器执行。在一个实施方式中，俘获工艺为漩涡粒子俘获工艺。
在框216中，所俘获的具有涂层的粒子向下流至退火单元，以对所述粒子进行退火。
图2C为根据本公开内容的一个实施方式的用于形成具有涂层的阴极活性材料的方法220的流程图。在方法220中，在粒子收集期间的合成后形成涂层。在一个实施方式中，粒子收集器的内表面上有涂层材料的薄膜，以便在收集工艺期间，当粒子实体接触和刮擦粒子收集器的内壁时，在所述粒子上形成一涂层。可使用系统100执行方法220，系统100具有附接于收集单元140的涂层源单元170C。
在框221中，前驱物溶液或前驱物混合物位于混合单元中，诸如系统100的混合单元110。前驱物溶液或前驱物混合物可包括用于形成阴极活性材料的金属离子。
在框222中，框201中形成的前驱物溶液或前驱物混合物流至合成区段，且合成为具有涂层的粒子。当在系统100中执行方法200时，可使用液滴产生器112、烘干机114和反应器116执行合成工艺。
在框223中，所述粒子流至冷却单元(诸如冷却单元13)以进行冷却，且经由传送工具(诸如传送通道134)传送。
在框224中，将其上形成有涂层的经冷却粒子输送至收集单元(诸如系统100的收集单元140)，以俘获所述粒子。俘获工艺可通过任何适当的收集器执行。在一个实施方式中，俘获工艺为漩涡粒子俘获工艺，且可通过在该粒子收集器的内表面上涂覆涂层材料的薄膜涂覆该涂层，以便在收集工艺期间，当粒子实体接触和刮擦粒子收集器的内壁时，在所述粒子上形成一涂层。通过自耦接至收集单元140的涂层源单元170C供应涂层材料，可将涂层材料的薄膜涂覆至粒子收集器的内表面。
在框225中，所俘获的具有涂层的粒子向下流至退火单元，以对所述粒子进行退火。
图2D为根据本公开内容的一个实施方式的用于形成具有涂层的阴极活性材料的方法230的流程图。在方法230中，在退火期间的合成后形成涂层。当所述粒子达到目标温度时，例如通过喷雾将液相或气相涂层前驱物引入合成粒子，因此在粒子上形成涂层。可使用系统100执行方法230，系统100具有附接于退火单元150的涂层源单元170D。
在框231中，前驱物溶液或前驱物混合物位于混合单元中，诸如系统100的混合单元110。前驱物溶液或前驱物混合物可包括用于形成阴极活性材料的金属离子。
在框232中，框201中形成的前驱物溶液或前驱物混合物流至合成区段，且合成为具有涂层的粒子。当在系统100中执行方法200时，可使用液滴产生器112、烘干机114和反应器116执行合成工艺。
在框233中，所述粒子流至冷却单元(诸如冷却单元13)以进行冷却，且经由传送工具(诸如传送通道134)传送。
在框234中，将经冷却粒子输送至收集单元(诸如系统100的收集单元140)，以俘获所述粒子。俘获工艺可通过任何适当的收集器执行。在一个实施方式中，俘获工艺为漩涡粒子俘获工艺。
在框235中，所俘获的粒子向下流至具有涂层源单元的退火单元，以同时退火且涂覆所述粒子。在一个实施方式中，在所述粒子达到目标温度时，例如通过喷雾将液相或气相涂层前驱物引入退火单元中的粒子，因此在粒子上形成涂层。
图2E为根据本公开内容的一个实施方式的用于形成具有涂层的阴极活性材料的方法240的流程图。在方法240中，涂层在独立涂覆站中形成，该独立涂覆站设置在收集单元之后及退火单元之前。通过溶液沉淀反应，独立涂覆站可在粒子上执行涂覆。举例而言，待涂覆的固体材料的粒子可悬浮于涂层材料的溶液中，以进行用于涂覆的反应。可使用系统100执行方法240，系统100具有耦接在退火单元150之前的独立涂覆站160A。
在框241中，前驱物溶液或前驱物混合物位于混合单元中，诸如系统100的混合单元110。前驱物溶液或前驱物混合物可包括用于形成阴极活性材料的金属离子。
在框242中，框201中形成的前驱物溶液或前驱物混合物流至合成区段，且合成为具有涂层的粒子。当在系统100中执行方法200时，可使用液滴产生器112、烘干机114和反应器116执行合成工艺。
在框243中，所述粒子流至冷却单元(诸如冷却单元13)以进行冷却，且经由传送工具(诸如传送通道134)传送。
在框244中，将经冷却粒子输送至收集单元(诸如系统100的收集单元140)，以俘获所述粒子。俘获工艺可通过任何适当的收集器执行。在一个实施方式中，俘获工艺为漩涡粒子俘获工艺。
在框245中，所收集的粒子流至独立涂覆站(诸如独立涂覆站160A)，在该独立涂覆站处执行涂覆工艺。在一个实施方式中，涂覆工艺可通过溶液沉淀反应执行。待涂覆的固体材料的粒子可悬浮于涂层材料的溶液中，以进行产生经涂覆粒子的沉淀工艺。涂层源单元170E可输送用于在阴极活性材料的表面上形成涂层的化学物溶液，涂层诸如Al2O3、AlF3、LiAlO2、AlPO4、ZrO2、ZrF4、SiO2、SnO2、MgO。在一个实施方式中，涂层源单元170E可将Al(NO3)3或烷基铝溶液输送至涂层容器162用于在阴极活性材料上形成包含Al2O3的涂层材料。
在框246中，经涂覆粒子向下流至退火单元，以对所述粒子进行退火。
图2F为根据本公开内容的一个实施方式的用于形成具有涂层的阴极活性材料的方法250的流程图。在方法250中，固体材料在粒子生成系统(诸如系统100)中形成之后，在单独涂覆站中在固体材料的粒子上形成涂层。通过溶液沉淀反应，单独涂覆站可在粒子上执行涂覆。举例而言，待涂覆的固体材料的粒子可悬浮于涂层材料的溶液中，以进行用于涂覆的反应。可使用如图1所描述的单独涂覆站160B执行方法250。
在框251中，前驱物溶液或前驱物混合物位于混合单元中，诸如系统100的混合单元110。前驱物溶液或前驱物混合物可包括用于形成阴极活性材料的金属离子。
在框252中，框201中形成的前驱物溶液或前驱物混合物流至合成区段，且合成为具有涂层的粒子。当在系统100中执行方法200时，可使用液滴产生器112、烘干机114和反应器116执行合成工艺。
在框253中，所述粒子流至冷却单元(诸如冷却单元13)以进行冷却，且经由传送工具(诸如传送通道134)传送。
在框254中，将冷却粒子输送至收集单元(诸如系统100的收集单元140)，以俘获所述粒子。俘获工艺可通过任何适当的收集器执行。在一个实施方式中，俘获工艺为漩涡粒子俘获工艺。
在框255中，所收集的粒子向下流至退火单元，以对所述粒子进行退火。
在框256中，经退火的粒子流至单独涂覆站(诸如独立涂覆站160B)，在该单独涂覆站处执行涂覆工艺。在一个实施方式中，涂覆工艺可通过溶液沉淀反应执行。待涂覆的固体材料的粒子可悬浮于涂层材料的溶液中，以进行产生经涂覆颗粒的沉淀工艺。涂层源单元170F可输送用于在阴极活性材料的表面上形成涂层的化学物溶液，涂层诸如Al2O3、AlF3、LiAlO2、AlPO4、ZrO2、ZrF4、SiO2、SnO2、MgO。在一个实施方式中，涂层源单元170F可将Al(NO3)3或烷基铝溶液输送至涂层容器164用于在阴极活性材料上形成包含Al2O3的涂层材料。
根据本公开内容的实施方式形成的阴极活性材料已显示出与通过传统方法形成的阴极材料相比的优势。更特定言之，根据本实施方式的阴极活性材料具有如图4A至图4C所述的改良的循环性能。
图4A为一图表，该图表图示具有多种阴极活性材料的电池的第一次循环充电/放电曲线。曲线401为已知方法合成的阴极活性材料的第一次循环充电/放电。曲线402为通过如图1所描述的连续流程方法形成的无任何涂层的阴极活性材料的第一次循环充电/放电。曲线403为阴极活性材料的第一次循环充电/放电，该阴极活性材料为根据本公开内容的实施方式通过使用喷雾涂覆的连续流程方法形成。对应于曲线401的已知方法合成的产品显示最大的不可逆容量。对应于曲线403的经喷雾样品显示最低的不可逆容量。
图4B为一图表，该图表图示具有多种阴极活性材料的电池的第二次循环充电/放电曲线。曲线404为已知方法合成的阴极活性材料的第二次循环充电/放电。曲线405为通过连续流程方法形成的无任何涂层的阴极活性材料的第二次循环充电/放电。曲线406为阴极活性材料的第二次循环充电/放电，该阴极活性材料为根据本公开内容的实施方式通过使用喷雾涂覆的连续流程方法形成。对应于曲线406的经喷雾样品显示最高的充电和放电容量。
图4C为一图表，该图表图示具有多种阴极活性材料的电池的循环性能。曲线407为已知方法合成的阴极活性材料的比容量。曲线408为通过连续流程方法形成的无任何涂层的阴极活性材料的比容量。曲线409为阴极活性材料的比容量，该阴极活性材料为根据本公开内容的实施方式通过使用喷雾涂覆的连续流程方法形成。对应于曲线409的经喷雾样品显示最高的比容量和容量保持。
尽管以上内容涉及本公开内容的实施方式，但在不脱离本公开内容的基本范围的情况下，可设计本公开内容的其他和另外的实施方式。

Claims (15)

1.一种用于通过连续流程形成阴极活性材料的装置，所述装置包括：
混合单元，所述混合单元生成前驱物混合物或前驱物溶液；
合成单元，所述合成单元耦接至所述混合单元，以自所述前驱物混合物或前驱物溶液生成阴极活性材料的粒子；
冷却单元，所述冷却单元耦接至所述合成单元的出口；
传送通道，所述传送通道耦接至所述冷却单元的下游；
收集单元，所述收集单元连接至所述传送通道，用于收集所述阴极活性材料的粒子；
退火单元，所述退火单元位于所述收集单元的下游，以退火所述阴极活性材料的粒子；和
涂层源单元，所述涂层源单元提供用于在所述阴极活性材料的粒子上形成涂层的涂层前驱物，其中所述涂层源单元设置在所述混合单元、所述合成单元、所述传送通道、所述收集单元、所述退火单元之一处、或为耦接在所述收集单元与所述退火单元之间的独立涂覆单元或为单独涂覆单元。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述涂层源单元耦接至以下单元：所述混合单元的混料机，所述混合单元生成包含所述涂层前驱物的混合物或溶液，及所述合成单元，所述合成单元形成阴极活性材料的粒子，所述阴极活性材料粒子上形成有涂层。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述涂层源单元耦接至所述传送通道，且所述涂层源单元将涂层液体或涂层气体喷雾至位于所述传送通道中的阴极活性材料的粒子流。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述涂层源单元耦接至所述收集单元，以在所述收集单元的内表面上形成涂层材料层，且在所述阴极活性材料的粒子接触所述收集单元的所述内表面的同时，所述阴极活性材料的粒子由所述涂层材料涂覆。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述涂层源单元耦接至所述退火单元，且在退火期间，所述涂层源单元将涂层液体或涂层气体喷雾至位于所述退火单元中的所述阴极活性材料的粒子。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述涂层源单元耦接至所述独立涂覆站，所述独立涂覆站进行涂覆反应，以在所述阴极活性材料的粒子上形成涂层。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述涂层源单元耦接至所述单独涂覆站，以进行涂覆反应，以在所述阴极活性材料的粒子上形成涂层。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述合成单元包括液滴生成器、烘干机和反应器。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述液滴产生器设置于所述烘干机的内部空间中。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述烘干机和所述反应器形成塔，其中所述烘干机在所述反应器之上。
11.一种用于形成阴极活性材料的方法，所述方法包括以下步骤：
形成包含金属离子的前驱物混合物或前驱物溶液；
合成所述前驱物混合物或前驱物溶液，以形成阴极活性材料的粒子；
将所述阴极活性材料的粒子冷却，且传送至收集单元；
将所述阴极活性材料的粒子收集在所述收集单元中；
退火所收集的阴极活性材料的粒子；和
添加涂层前驱物，以在所述阴极活性材料的粒子上形成涂层，其中添加涂层前驱物的步骤在以下步骤之一期间执行：形成所述前驱物混合物或前驱物溶液；冷却且传送所述阴极活性材料的粒子；收集所述阴极活性材料的粒子；在收集所述阴极活性材料的粒子之后及在退火所述阴极活性材料的粒子之前，退火所述阴极活性材料的粒子；和在退火所述阴极活性材料的粒子之后执行。
12.如权利要求11所述的方法，其中添加所述涂层前驱物的步骤包括在形成所述前驱物混合物或前驱物溶液期间，将所述涂层前驱物引入至所述前驱物的混合物或前驱物的溶液，且合成所述前驱物混合物或前驱物溶液形成至少部分经涂覆的阴极活性材料前驱物的粒子。
13.如权利要求11所述的方法，其中添加所述涂层前驱物的步骤包括在传送所述阴极活性材料的粉末的同时，将涂层液体或涂层气体喷雾至所述阴极活性材料的粒子。
14.如权利要求11所述的方法，其中添加所述涂层前驱物的步骤包括在退火所述阴极活性材料的粉末的同时，将涂层液体或涂层气体喷雾至所述阴极活性材料的粒子。
15.如权利要求11所述的方法，其中添加所述涂层前驱物的步骤包括将所述涂层前驱物添加至独立涂覆站，以进行沉淀反应，以在所述阴极活性材料的粒子上形成涂层。
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