CN105873672A - 用于高吞吐量粉末生产的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于形成粉末的装置和方法。所述装置包括具有顶板的腔室以及分别用于生成气雾剂和火焰的附着到顶板的气雾剂和燃烧器喷嘴的阵列。通过雾化液体混合物以便把液滴气雾剂喷射到腔室中并且利用由燃烧器喷嘴喷射的火焰加热气雾剂来产生粉末。

Description

用于高吞吐量粉末生产的装置和方法
技术领域
本公开内容涉及用于高吞吐量粉末生产的装置以及粉末的生产。
背景技术
许多年来已经知晓并且在工业制造规模下实施了用于生产粉末的各种方法。粉末的大规模生产可以被分类到包括固态方法和基于溶液的方法在内的两个总体类别中。固态方法实施起来通常较为简单，但是通常需要大量时间和能量，并且常常导致相对较大的颗粒尺寸和较低的纯度。固态方法几乎总是被实施成导致批次之间的变化性的分批方法。基于溶液的方法通常往往更加复杂，但是常常导致相对较小的颗粒尺寸、更加同质和均匀的颗粒并且具有更高的纯度。基于溶液的方法通常可以被连续地操作。但是基于溶液的方法与固态方法相比受困于相对较低的生产率，因此仅被用于低产量特殊粉末。
用于可再充电电池的阴极材料的大规模生产在近年来已经获得了很多关注，这是因为用于便携式电子装置以及用于电动和混合电动车辆的此类电池正日益普及。固态方法和基于溶液的方法都已被用来生产用于可再充电电池的阴极材料。参见Toprakci等人的“Fabrication andElectrochemical Characteristics of LiFePO4 Powders for Lithium-IonBatteries(用于锂离子电池的LiFePO4粉末的制作和电化学特性)”，KONA Power and Particle Journal，2010:28:50-73；Jugovic等人的“AReview of recent developments in the synthesis procedures of lithium ironphosphate powders(关于磷酸铁锂粉末的合成规程中的新近发展的评论)”，Journal of Power Sources，2009:190:538-544。
用于生产阴极材料的基于溶液的方法给出了相对较小的颗粒尺寸、同质性和纯度方面的优点并且通常只需要很少的处理步骤，但是受困于低生产率。已经公开了利用气雾剂和气体燃烧器(gas burner)大规模生产基于锂的阴极材料方面的尝试。例如参见Ogihara等人的“Preparation and electrochemical properties of cathode materials forlithium ion battery by aerosol process(通过气雾剂处理准备用于锂离子电池的阴极材料及其电化学属性)”，Material Science and EngineeringB，2009:161:109-114，以及Myojin和Ogihara等人的“synthesis ofnon-stoichiometric lithium manganite fine powders by internalcombustion-type spray pyrolysis using gas burner(利用气体燃烧器通过内燃类型喷雾热解来合成非化学计量亚锰酸锂细粉末)”，AdvancePowder Technology，2004:15:397-403。但是其生产率仍然相对较低。相应地，仍然需要针对大规模制造来生产粉末的改进的生产方法。
发明内容
本公开内容的优点包括用于形成粉末的高吞吐量装置和方法。
这些和其他优点至少部分地通过一种用于生产粉末的装置而得到满足。所述装置包括具有顶板的腔室和附着到顶板的喷嘴阵列。所述喷嘴阵列有利地包括用于把液滴气雾剂引入到腔室中的至少一个气雾剂喷嘴，以及用于把火焰喷射到腔室中的直接邻近所述至少一个气雾剂喷嘴的至少两个燃烧器喷嘴。优选的是，气雾剂和火焰被指向在进入到腔室中的相同的总体流动方向上。所述装置可以包括允许所产生的粉末离开腔室的连接到腔室的出口端口，以及与出口端口流体连通以便收集离开腔室的所产生的粉末的收集系统。有利的是，本公开内容的装置能够以高生产率来生产粉末，例如高于1千克每小时(kg/hr)的生产率，例如高于大约5kg/hr到大约200kg/hr。
在本公开内容的实施例中，所述喷嘴阵列包括至少2个到大约200个或更多气雾剂喷嘴，每一个气雾剂喷嘴直接邻近并且处于至少两个燃烧器喷嘴之间，并且所述喷嘴阵列包括直接邻近每一个气雾剂喷嘴的至少三个燃烧器喷嘴。优选的是，从各个喷嘴的中心测量的喷嘴之间的距离小于大约400mm。有利的是，本公开内容的气雾剂喷嘴可以是能够把液滴气雾剂引导到所述装置的腔室中的任何气雾剂喷嘴。直接形成液滴气雾剂的气雾剂喷嘴例如包括液压、气动和超声喷雾喷嘴，并且具有每个喷嘴的从大约0.5l/hr到大约12l/hr或更高的雾化速率，并且可以形成具有小到大约10微米并且大到大约500微米的平均液滴直径的液滴。此外，本公开内容的燃烧器喷嘴可以是能够把火焰喷射到所述装置的腔室中的任何燃烧器喷嘴，从而使得来自燃烧器喷嘴的火焰足以有效地把液滴气雾剂加热成粉末。
本公开内容的其他方面包括形成粉末的方法。所述方法包括雾化液体混合物以便通过至少一个气雾剂喷嘴把具有一定流动方向的液滴气雾剂喷射到腔室中，以及通过利用至少两个燃烧器喷嘴加热液滴气雾剂而把液滴气雾剂转化成粉末，所述至少两个燃烧器喷嘴直接邻近所述至少一个气雾剂喷嘴并且分别喷射邻近液滴气雾剂的火焰，其中所述火焰提供用以把液滴气雾剂转化成粉末的热量。本公开内容的液体混合物包含液体介质(例如水介质)，以及导致粉末的产生的一种或更多种溶解或悬浮的前体和其他可选的成分。通过本公开内容的装置可以有利地制造多种粉末，其中包括用于次级电池(secondary battery)和燃料电池的陶瓷活性电极粉末等等。
本公开内容的实施例包括使用针对用于生产粉末的装置所描述的所有各种配置。本公开内容的方法有利地是可伸缩的，从而使得可以通过2个到200个或者更多气雾剂喷嘴来雾化液体混合物。有利的是，所述液体混合物包含用以形成一种或更多种活性电极粉末的前体，利用一种或更多种活性锂金属或混合金属磷酸盐粉末，并且可选地还有一种或更多种掺杂剂前体，并且可选地还有一种或更多种碳前体。
本公开内容的其他方面包括利用包含根据本公开内容生产的一种或更多种活性电极粉末的电极(例如阴极电极)形成次级电池，并且还包括利用所述电极形成次级电池。
通过后面的详细描述本领域技术人员将很容易认识到本发明的其他优点，其中仅仅简单地通过说明所设想到的实施本发明的最佳模式而示出并描述了本发明的优选实施例。将会认识到的是，在不背离本发明的情况下，本发明可以有其他不同的实施例，并且可以在各个方面修改其几处细节。因此，后面的附图和描述应当被视为说明性而非限制性的。
附图说明
现在将参照附图，其中具有相同的附图标记的单元始终代表类似的单元，并且其中：
图1是本公开内容的高吞吐量粉末生产装置的一个实施例的示意图。
图2A和2B示出了图1中所示的装置的顶板。
图3是本公开内容的高吞吐量粉末生产装置的一个实施例的操作的示意图。
图4是本公开内容的高吞吐量粉末生产装置的顶板的另一个实施例的示意图。
图5A和5B是本公开内容的高吞吐量粉末生产装置的另一个实施例的示意图。
图5C示出了图5B中示出的装置的顶板。
具体实施方式
本公开内容是针对能够以高生产率来生产粉末的装置和方法，例如高于1千克每小时(kg/hr)的生产率，例如高于大约5、10、20、30、50、100kg/hr以及甚至高于大约200kg/hr。
本公开内容的装置给出了优于包括把气雾剂引入到炉膛中的传统喷雾干燥配置。在这样的传统喷雾干燥配置中，通过从炉膛的壁面朝向气雾剂的中心辐射的热量来干燥气雾剂。在某些气雾剂干燥配置中，一部分热量被用来加热炉膛，其随后被传递到气雾剂。在针对适应大规模生产的尝试中，这样的传统喷雾干燥配置通常也需要相对较大的炉膛。但是在操作期间从炉膛的外壁到中心的温度差异通常会随着更大的炉膛而增大，从而导致喷洒到炉膛中的气雾剂当中的更高温度变化性。
本公开内容的装置的配置有利地是紧凑的，并且可以在气雾剂当中和之间提供更加均匀的温度梯度。根据本公开内容的实施例，燃烧器喷嘴直接邻近并且处在一个或更多气雾剂喷嘴之间，从而允许整个气雾剂当中的更加均匀的温度梯度以及对于气雾剂的更加高效的加热，这是因为由燃烧器生成的火焰主要并且直接被用来加热通过所述一个或更多气雾剂喷嘴引入的液滴气雾剂。因此，本公开内容的装置的配置可以有利地以更加紧凑的尺寸适应显著更高的生产率。本公开内容的喷嘴配置还是有利地可伸缩的，而不会显著损失整个液滴气雾剂当中的温度均匀性。
在本公开内容的一个方面中，一种用于生产粉末的装置包括具有顶板的腔室和附着到顶板的喷嘴阵列。这里所使用的喷嘴阵列意味着直接邻近至少两个燃烧器喷嘴的至少一个气雾剂或喷雾喷嘴。但是所述阵列在阵列中不需要具有其总数是的气雾剂喷嘴总数的两倍的燃烧器喷嘴，这是因为一个或更多燃烧器喷嘴可以邻近多于一个气雾剂喷嘴。此外，所述至少一个气雾剂喷嘴在阵列中不需要直接处在至少两个燃烧器喷嘴之间，并且所述阵列不需要完全是矩形喷嘴阵列。优选的是，所述喷嘴阵列包括至少2、4、6、8、10、20、30、40、50、100、200个或更多气雾剂喷嘴，每一个气雾剂喷嘴直接邻近并且处在至少两个燃烧器喷嘴之间。阵列中的(多个)气雾剂喷嘴将把液滴气雾剂引入到腔室中，并且每一个燃烧器喷嘴将把火焰喷射到腔室中。
这里所使用的气雾剂意味着悬浮在气体中的固体和/或液体颗粒的分散体。这里所使用的液滴气雾剂指的是悬浮在气体中的液体液滴的分散体。雾化速率是液体混合物被转化成液滴气雾剂的每单位时间的速率，例如升/小时(l/hr)。
本公开内容的气雾剂喷嘴可以是能够把液滴气雾剂引导到所述装置的腔室中的任何气雾剂喷嘴。气雾剂喷嘴的尺寸和类型将取决于几个因素，其中包括气雾剂的数量和质量(例如尺寸和尺寸分布)、对应于堵塞的容限、温度和化学抗性、所期望的喷雾角度等等。根据本公开内容的实施例，气雾剂喷嘴可以直接把液体混合物雾化成液滴气雾剂，或者可以充当用于在单独的腔室中形成并且被载送到气雾剂喷嘴的液滴气雾剂的管道，比如在与气雾剂喷嘴离开一定距离处部署的超声喷雾器(ultrasonic mister)中的情况，其中液滴气雾剂在喷雾器中形成并且通过载体气体被载送到喷嘴。直接形成液滴气雾剂的气雾剂喷嘴例如包括液压、气动和超声喷雾喷嘴，并且每个喷嘴具有从大约0.5l/hr、1l/hr、2l/hr、4l/hr、6l/hr、8l/hr、10l/hr到大约12l/hr或更高的雾化速率，并且可以形成具有小到大约10微米以及大到大约500微米的平均液滴直径的液滴。这样的气雾剂喷嘴是可以买到的。
本公开内容的燃烧器喷嘴可以是能够把火焰喷射到所述装置的腔室中的任何燃烧器喷嘴，从而使得来自燃烧器喷嘴的火焰足以有效地把液滴气雾剂加热成粉末。燃烧器喷嘴的尺寸和类型将取决于对于把通过一个或更多气雾剂喷嘴引入的液滴气雾剂处理成所期望的产品粉末所需要的热量的数量和质量。用于选择燃烧器喷嘴的尺寸和类型及其操作的附加因素例如包括雾化速率、气雾剂喷嘴对于燃烧器喷嘴的安排和数目、从燃烧器喷嘴喷射的火焰的形状、火焰稳定性、火焰形状、燃料/氧化剂操作比例、火焰温度、流速、湍流水平等等。可以被使用在本公开内容的装置中的示例性燃烧器喷嘴包括喷灯、扩散、预混合或喷嘴混合气体燃烧器(可以从以下公司获得：Selas HeatTechnology，USA；Fives North American Combustion,Inc.，USA)。这样的燃烧器喷嘴具有从大约500BTU到大约100000BTU/hr的容量以及大约1400K到大约3000K的火焰温度，这取决于被用来产生火焰的燃料和氧化剂以及燃料和氧化剂的压力和比例。
经过燃烧器喷嘴的燃料的燃烧是用于向一个点或区域提供热量的有效手段。本公开内容的装置有利地引导来自燃烧器喷嘴的燃料燃烧的热量，以便对液滴气雾剂进行处理。根据本公开内容的实施例，优选的是一个或更多气雾剂喷嘴直接邻近至少两个燃烧器喷嘴。气雾剂喷嘴越靠近燃烧器喷嘴，从火焰到气雾剂的热传递就更加有效。但是对于某些粉末生产方法来说，来自燃烧器的火焰的温度对于液滴气雾剂的接触可能过高，因此可以基于预期的粉末产品来优化气雾剂与燃烧器喷嘴之间的距离以及火焰配置。
在本公开内容的一个实施例中，所述一个或更多气雾剂喷嘴和燃烧器喷嘴相距一定距离，从而使得引导自气雾剂喷嘴的液滴气雾剂通常不会接触到由燃烧器喷嘴生成的火焰，但是对于实现液滴气雾剂到粉末的转化是足够靠近的。优选的是，从各个喷嘴的中心测量的喷嘴之间的距离小于大约400mm，优选地小于大约300、200、100mm。
此外还优选的是，气雾剂和燃烧器喷嘴被指向成在相同的总体流动方向上将其对应的气雾剂或火焰引导到腔室中。这样的安排允许紧凑的配置。这样的安排还是可伸缩的，以便包括多个气雾剂喷嘴，例如至少2、4、6、8、10、20、30、40、50、100、200个或更多气雾剂喷嘴，其中每一个气雾剂喷嘴直接邻近至少两个燃烧器喷嘴。
后面的实施例进一步例示了本公开内容的装置。举例来说，图1示出了本公开内容的高吞吐量粉末生产装置的一个实施例。如图1中所示，装置100包括顶板110、第一腔室120、第二腔室130以及会聚颈部140。顶板110包括在图2A和2B中更加详细地描述的气雾剂喷雾喷嘴和燃烧器喷嘴的阵列。气雾剂喷嘴和燃烧器喷嘴被引导到第一腔室120中，其中气雾剂被加热并且可选地与其他材料混合，例如由其中一个或更多燃烧器喷嘴生成的碳或者由位于离开顶板110的位置处(比如处在第一腔室120或第二腔室130中)的燃烧器生成的碳。在该实施例中，第一腔室120是具有端口122和124的加套(jacketed)腔室，从而允许例如气体或液体之类的流体进入和离开第一腔室120。进入和离开第一腔室120的流体可以被用来围绕腔室120的内壁进行循环(为了说明方便起见并未示出)，并且把第一腔室120保持在预定的温度或预定的温度范围，例如从大约100℃到大约800℃，例如从大约150℃到大约500℃，或者处在大约300℃到450℃之间。使用在第一腔室120中的循环流体可以是由燃烧器喷嘴使用来在腔室120中生成火焰的燃料。通过把燃料用作在第一腔室120的外套中进行循环的介质，燃料在燃烧之前可以被加热，从而促进燃料在第一腔室120中的燃烧。其他循环流体可以被用来加热或冷却第一腔室120。
如图1中进一步所示，第一腔室120与第二腔室130流体连接。第二腔室130可以处于和第一腔室120不同的温度或者处于和第一腔室120相同的温度。第二腔室130可以被用来允许对由喷雾喷嘴的阵列生成的气雾剂进行附加的处理，比如干燥和/或退火和/或混合在所述处理中形成的颗粒。随着在第一和第二腔室120和130中形成的气体和颗粒从顶板110流动经过第一和第二腔室120和130并且在出口端口142处离开所述装置，会聚颈部140将其会聚。收集系统(为了说明方便起见并未示出)连接到出口端口142以便收集在操作装置100的处理中生成的粉末。所述收集系统可以包括用于收集通过气雾剂等等产生的粉末的任何传统系统，其中例如包括使用袋滤室(bag house)、静电沉淀器、旋流器、热泳沉积等等。
图1中所示出的装置100具有垂直指向，其中由喷嘴生成的颗粒在总体上垂直的方向上从顶板110流动到第一腔室120并且流动到第二腔室130和会聚颈部140。除了图1中示出的垂直指向之外，装置100例如还可以被总体上水平指向，也就是把装置100旋转大约90度，或者其可以被翻转，也就是把装置100旋转大约180度，或者其间的任何指向。
对于图1所示出的每一个组件可以由适合于一般性粉末生产或者特别适合于特定粉末的生产的材料制成。适当的组件材料通常是可以耐受温度以及气雾剂化学性质及其产品的材料。这样的材料例如包括金属(例如钢、不锈钢、铝等等)、陶瓷、玻璃或其组合。在该实施例中，顶板110、第一腔室120、第二腔室130和会聚颈部140都由不锈钢制成。
图2A和2B进一步示出了图1的顶板110。图2B是图2A的剖面图。如图2A中所示，顶板110包括用以生成液滴气雾剂的喷雾喷嘴112的阵列以及用以直接生成邻近液滴气雾剂的火焰的燃烧器喷嘴114的阵列。在该实施例中，顶板110包括由二十(20)个喷雾喷嘴112和十八(18)个燃烧器喷嘴114构成的阵列。正如前面所讨论的那样，优选的是具有直接邻近至少两个燃烧器喷嘴的每一个气雾剂喷嘴，并且把气雾剂和燃烧器喷嘴指向成在相同的总体流动方向上引导其对应的气雾剂和火焰。在本实施例中，每一个气雾剂喷嘴直接邻近三个燃烧器喷嘴，并且所有喷嘴都被指向成在相同的流动方向上喷射液滴气雾剂或火焰，也就是离开顶板110并且进入到第一腔室120中的方向。图2A还示出了燃烧器喷嘴114被配置成位于喷嘴阵列的外围。当燃烧器喷嘴位于阵列的外围时，由气雾剂喷嘴生成的所有液滴气雾剂都可以或多或少地被燃烧器生成的火焰围绕。
如图2A中进一步所示，顶板110包括可以被用来添加附加的气雾剂或燃烧器喷嘴的几处空白116。虽然空白116可以容纳气雾剂或燃烧器喷嘴，但是优选的是在喷嘴阵列的外围不存在气雾剂喷嘴，从而使得由气雾剂喷嘴生成的液滴气雾剂或多或少地被燃烧器喷嘴产生的火焰围绕。顶板110还包括用于使得螺栓把顶板110紧固到第一腔室120的螺栓孔洞118以及顶板110的外围的一系列孔洞119。孔洞119可以与螺栓或其他紧固件一起被用来固定台架(scaffolding)以便对于装置的操作保持装置外部的管材、线缆等等，并且用来在操作中固定装置本身。这些附加的特征对于装置的操作并不必要，但是在实践中可能是有帮助的。
图2B是图2A的剖面图。在该实施例中，图2B示出了气雾剂喷嘴112和燃烧器喷嘴114具有被定位在与顶板110的内表面110a相距不同距离处的尖部(分别是112a和114a)。燃烧器喷嘴114的尖部114a所处的位置与顶板110的内表面110a的距离大于气雾剂喷嘴112的尖部112a与顶板110的内表面110a的距离。通过这种配置，可以在火焰生成之前的一定距离处把液滴气雾剂引入到腔室中。还可以配置各个气雾剂和燃烧器喷嘴的尖部的相对定位。
图1中示出的装置可以很容易具有高于1kg/hr的生产率。这里所使用的每小时生产率通过以下表达式确定：每小时生产率(kg/hr)＝液体混合物中的前体的浓度(摩尔/升或M)×气雾剂喷嘴的数目×每个喷嘴的雾化速率(升/小时-喷嘴(l/hr-喷嘴))×产品粉末的式量(克/摩尔)×1/1000(kg/g)。通过把每小时生产率分别乘以24小时/天或者乘以(24小时/天×300天/年)，可以计算以天和年为周期的生产率。举例来说，通过使用包含0.2M的前体的相对稀释的液体混合物并且利用操作在每个喷嘴4l/hr下的20个气雾剂喷嘴，磷酸铁锂(LiFePO4，式量为大约157.8克/摩尔)的生产给出大约2.5kg/hr的生产率。对于1M的浓度更高的液体混合物，生产率是大约12.5kg/hr，或者大约300kg/天，或者大约90公吨/年。
正如前面所讨论的那样，鉴于其潜在的生产率，本公开内容的装置相对紧凑。举例来说，图1的实施例中示出的装置具有大约54英寸(137cm)的总体长度。举例来说，顶板110可以具有近似24×24×3/4英寸(61×61×2cm)的高度×宽度×厚度的规格；第一腔室120可以具有近似22×22×17英寸(56×56×42cm)的高度×宽度×长度的规格，第二腔室130可以具有近似20×20×22英寸(51×51×56cm)的高度×宽度×长度的规格；对于靠近第二腔室的高度和宽度规格，会聚颈部可以具有近似20×20×14英寸(51×51×36cm)的高度×宽度×长度的规格。具有包括至少二十(20)个气雾剂喷嘴和十八个燃烧器喷嘴的阵列的此类装置(其中每一个气雾剂喷嘴直接邻近三个燃烧器喷嘴)可以在对于LiFePO4生产使用相对稀释的液体混合物的情况下以大约2.5kg/hr生产粉末，并且例如对于LiFePO4的浓度更高的液体混合物能够以大约12.5kg/hr生产粉末。
图3是本公开内容的高吞吐量粉末生产装置的一个实施例的操作的示意图。如图3中所示，装置300包括顶板310、混合腔室330和收集器340。混合腔室330会聚到与收集器340流体连通的出口端口332。收集器340还包括用以排出通过装置300的操作产生的气体的排气系统342，以及用以收集通过装置300的操作产生的粉末的收集系统344。气雾剂喷嘴312和燃烧器喷嘴314的阵列附着到顶板310。
如图3中所示，气雾剂喷嘴312把液滴气雾剂312a喷射到腔室330中，并且燃烧器喷嘴314把火焰314a喷射到腔室330中。在该实施例中，气雾剂喷嘴312是把液滴气雾剂312a引入到混合腔室330中的气动喷雾喷嘴。通过把液体混合物经过馈送线路312b与雾化气体经过馈送线路312c组合到气雾剂喷雾喷嘴312而生成液滴气雾剂312a。馈送线路312b和312c与喷雾喷嘴312并且分别与流体混合物和雾化气体来源流体连通。正如在其他实施例中更加详细地描述的那样，液体混合物包括液体介质以及用以形成粉末的一种或更多种前体，并且可选地还包括一种或更多种其他成分。雾化气体可以是能够雾化液体混合物的任何气体，例如水蒸气或者优选地是例如氮气、氩气等惰性气体。
在该实施例中，燃烧器喷嘴314是把矛状火焰喷射到混合腔室330中的预混合气体燃烧器(例如可以从Selas Heat Technology，USA获得)，也就是具有矛的形状的火焰。通过把燃料经过燃料馈送线路314b与氧化剂经过馈送线路314c组合到燃烧器喷嘴314并且燃烧燃料而生成火焰314a。馈送线路314b和314c与燃烧器喷嘴314并且分别与燃料和氧化剂来源流体连通。正如在其他实施例中更加详细地描述的那样，燃料可以是任何可燃气体或液体，例如碳氢化合物，并且氧化剂可以是氧化燃料的任何材料，例如氧气、空气等等。燃烧器喷嘴可以分别具有大约500BTU/hr到大约100000BTU/hr之间(例如大约9000到33000BTU/hr之间)的容量，这取决于几个因素，比如被引入到燃烧器喷嘴以生成火焰的燃料和氧化剂的类型、燃料和氧化剂的压力、被引入到燃烧器喷嘴的燃料与氧化剂的比例等等。在本公开内容的一个方面中，每一个燃烧器所生成的火焰在火焰的尖部具有大约1400K(1127℃)到大约3000K(2727℃)的温度。
对于某些处理，优选的是液滴气雾剂不与火焰接触，从而使得液滴气雾剂不会经历火焰的完全温度和氧化环境。如图3中所示，气雾剂喷嘴和燃烧器喷嘴相距一定距离，从而使得从气雾剂喷嘴生成的大部分液滴气雾剂(如果不是基本上所有液滴气雾剂的话)都不会接触到由燃烧器喷嘴生成的火焰。
图4是本公开内容的高吞吐量粉末生产装置400的顶板的另一个实施例的示意图。如图4中所示，顶板410包括具有开槽的形状(也就是细长孔径)的两个气雾剂喷嘴412。每一个气雾剂喷嘴邻近燃烧器喷嘴414。在该实施例中，每一个气雾剂开槽喷嘴412被八个燃烧器喷嘴414围绕。对应于这种类型的安排的燃烧器喷嘴的数目将部分地取决于开槽喷嘴的长度。附加的开槽气雾剂喷嘴可以被包括在该实施例的配置中，例如4、6、8、10、20、30、40、50、100、200个或更多气雾剂喷嘴，其中每一个气雾剂喷嘴直接邻近两个或更多燃烧器喷嘴。雾化器可以被配置成经过所述开槽生成液滴气雾剂，比如通过利用超声生成器雾化液体混合物从而形成液滴气雾剂，并且利用载体气体引导液滴气雾剂经过开槽喷嘴，所述载体气体例如是水蒸气或者比如氮气、氩气等惰性气体。
正如前面所解释的那样，本公开内容的装置中的喷嘴阵列是很容易可伸缩的，因此对应于给定装置的生产率也是如此。作为一个实例，高吞吐量粉末生产装置在气雾剂和燃烧器喷嘴的阵列中具有超过100个气雾剂喷嘴。图5A和5B示出了高吞吐量粉末生产装置的另一个实施例。图5B是图5A的展开视图。
如图5A和B中所示，装置500包括顶板510、腔室520、具有出口端口542的会聚颈部540以及连接到腔室520以便支持所述装置的支柱560。顶板510包括在图5C中更加详细地描述的气雾剂喷嘴和燃烧器喷嘴的阵列。气雾剂喷嘴和燃烧器喷嘴被引导到腔室520中，其中气雾剂被加热并且可选地与其他材料混合，例如由其中一个或更多燃烧器喷嘴生成的碳或者由位于离开顶板510的位置处(比如处在腔室520中)的燃烧器生成的碳。在该实施例中，腔室520是具有端口522和524的加套腔室，从而允许例如气体或液体之类的流体进入和离开腔室520。进入和离开腔室520的流体可以被用来围绕腔室520的内壁进行循环(为了说明方便起见并未示出)，并且把腔室520保持在预定的温度或预定的温度范围，例如从大约100℃到大约800℃，例如从大约150℃到大约500℃，或者处在大约300℃到450℃之间。使用在腔室520中的循环流体可以是由燃烧器喷嘴使用来生成火焰的燃料。通过把燃料用作在腔室520的外套中进行循环的介质，燃料在燃烧之前可以被加热，从而促进燃料在腔室520中的燃烧。其他循环流体可以被用来加热或冷却腔室520。腔室520还包括用于观察喷嘴阵列的操作的观察窗口526。
随着在第二腔室520中形成的气体和颗粒从顶板510流动经过腔室520并且在出口端口542处离开所述装置，会聚颈部540将其会聚。收集系统(为了说明方便起见并未示出)连接到出口端口542以便收集在操作装置500的处理中生成的粉末。所述收集系统可以包括用于收集通过气雾剂等等产生的粉末的任何传统系统，其中例如包括使用袋滤室(bag house)、静电沉淀器、旋流器、热泳沉积等等。
对于图5A和5B所示出的每一个组件可以由适合于一般性粉末生产或者特别适合于特定粉末的生产的材料制成。适当的组件材料通常是可以耐受对于生产处理所预期的温度和前体及其产品的材料。这样的材料例如包括金属(例如钢、不锈钢、铝等等)、陶瓷、玻璃或其组合。在该实施例中，顶板510、第一腔室520、会聚颈部540和支柱560都由不锈钢制成。
图5C进一步示出了图5B的顶板510。如图5C中所示，顶板510包括用以生成液滴气雾剂的喷雾喷嘴512的阵列以及用以直接生成邻近液滴气雾剂的火焰的燃烧器喷嘴514。在该实施例中，顶板510包括由一百四十四(144)个喷雾喷嘴512和一百七十六(176)个燃烧器喷嘴514构成的阵列。正如前面所讨论的那样，优选的是具有直接邻近至少两个燃烧器喷嘴的每一个气雾剂喷嘴，并且把气雾剂和燃烧器喷嘴指向成在相同的总体流动方向上引导其对应的气雾剂和火焰。在本实施例中，每一个气雾剂喷嘴直接邻近四个燃烧器喷嘴，并且所有喷嘴都被指向成在相同的流动方向上喷射液滴气雾剂或火焰，也就是离开顶板510并且进入到腔室520中的方向。顶板510还包括对应于螺栓的螺栓孔洞518，所述螺栓被用来把顶板510紧固到腔室520。虽然螺栓被用来把顶板510紧固到腔室520，但是还可以使用用以把顶板510固定到腔室520的其他适用的装置。
图5A中示出的装置可以很容易具有高于大约18kg/hr并且高达大约273kg/hr的生产率(也就是基于磷酸铁锂(LiFePO4，式量为大约157.8克/摩尔)的生产计算的，其中使用0.2M到1M之间的液体混合物并且利用操作在每个气雾剂喷嘴4l/hr到12l/hr下的144个气雾剂喷嘴)。
通过本公开内容的装置可以制造多种粉末，其中包括陶瓷、用于次级电池和燃料电池的活性电极粉末等等。根据本公开内容的用于生产粉末的方法包括使用前面针对用于生产粉末的装置所描述的所有各种配置，但是并不受限于前面所描述的各种配置。
在实践本公开内容的实施例的过程中，通过经由至少一个气雾剂喷嘴雾化液体混合物以便将液滴气雾剂喷射到腔室中形成粉末。在液体混合物被雾化到腔室中的同时，通过由邻近的燃烧器喷嘴的火焰所生成的热量将液滴气雾剂转化成粉末。本公开内容的液体混合物包含液体介质以及导致粉末的产生的一种或更多种溶解或悬浮的前体和其他可选的成分。本公开内容的方法有利的是可伸缩的，从而使得可以通过2、4、6、8、10、20、30、40、50、100、200个或更多气雾剂喷嘴来雾化液体混合物。优选的是，燃烧器喷嘴直接邻近并且处在气雾剂喷嘴之间，从而允许整个气雾剂当中的更加均匀的温度梯度以及对于气雾剂的更加高效的加热，这是因为由燃烧器生成的火焰主要并且直接被用来加热通过一个或更多气雾剂喷嘴引入的液滴气雾剂。此外还优选的是，每一个燃烧器喷嘴所喷射的火焰被指向在与液滴气雾剂的流动相同的总体流动方向中。
可以利用能够把液滴气雾剂引导到腔室中的任何气雾剂喷嘴来实施本公开内容的液体混合物的雾化。气雾剂喷嘴的尺寸和类型将取决于几个因素，其中包括气雾剂液滴的数量和质量(例如尺寸和尺寸分布)、对应于堵塞的容限、温度和化学抗性、所期望的喷雾角度等等。根据本公开内容的实施例，气雾剂喷嘴可以直接把液体混合物雾化成液滴气雾剂，或者可以充当用于在单独的腔室中形成并且被载送到气雾剂喷嘴的液滴气雾剂的管道，比如在与气雾剂喷嘴离开一定距离处部署的超声喷雾器中的情况，其中液滴气雾剂在喷雾器中形成并且通过载体气体被载送到喷嘴。直接形成液滴气雾剂的气雾剂喷嘴是可以买到的，并且例如包括液压、气动和超声喷雾喷嘴。这样的喷嘴具有每个喷嘴从大约0.5l/hr、l/hr、2l/hr、4l/hr、6l/hr、8l/hr、10l/hr到大约12l/hr或更高的雾化速率，并且可以形成具有小到大约10微米以及大到大约500微米的平均液滴直径的液滴。在本公开内容的一个实施例中，雾化液体混合物的速率不低于大约1升每小时每气雾剂喷嘴(l/hr-喷嘴)，例如不低于大约2、4、6、8、10、12l/hr-喷嘴。
对液滴气雾剂的加热可以通过邻近液滴气雾剂并且被指向在与液滴气雾剂相同的总体流动方向上的任何燃烧器喷嘴来实现，并且所述燃烧器喷嘴可以聚合提供足够的热量以便把液滴气雾剂转化成粉末。燃烧器喷嘴的尺寸和类型将取决于对于把通过一个或更多气雾剂喷嘴引入的液滴气雾剂处理成所期望的产品粉末所需要的热量的数量和质量。用于选择燃烧器喷嘴的尺寸和类型及其操作的附加因素例如包括雾化速率、气雾剂喷嘴对于燃烧器喷嘴的安排和数目、从燃烧器喷嘴喷射的火焰的形状、火焰稳定性、火焰形状、燃料/氧化剂操作比例、火焰温度、湍流水平等等。可以被使用在本公开内容的装置中的示例性燃烧器喷嘴包括扩散、预混合或喷嘴混合气体燃烧器(可以从以下公司获得：Selas Heat Technology，USA；Fives North AmericanCombustion,Inc.，USA)。这样的燃烧器喷嘴具有处于大约500到58000BTU/hr之间的容量以及大约1400K到3000K的火焰温度，这取决于被用来生成火焰的燃料和氧化剂以及燃料和氧化剂的压力和比例。
正如前面所解释的那样，燃烧器喷嘴喷射火焰，所述火焰提供用以把包含一种或更多种前体和可选成分的液体混合物转化成粉末的热量。火焰是通过燃烧包括一种或更多种可燃气体或液体的燃料而生成的。这样的可燃液体或气体例如可以包括氢气、碳氢化合物(烷烃、烯烃、炔烃、芳烃当中的一种或更多种，烷烃比如有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷，烯烃比如有乙烯、丙烯，炔烃比如有乙炔，芳烃比如有苯、甲苯、二甲苯、萘等等)、碳氢化合物的混合物(比如天然气、汽油等等)、醇(例如甲醇、乙醇、丙醇、有支链或无支链的丁醇等等)、或者可燃液体和/或气体的混合物。未燃烧的气体混合物可以包含例如氧气或空气之类的氧化剂。或者，可以与燃料分开向燃烧器提供氧化剂。当燃料在未燃烧的混合物中相对于氧化剂是富集的，则所有氧化剂都可以被消耗，从而留下缺少氧化剂的环境，这作为用于某些粉末生产应用的还原环境可能是有用的。当燃料更加富集时，则可以形成固体碳，这作为用于某些粉末生产应用的添加剂也可能是有用的。在本公开内容的一个实施例中，其中一个或更多燃烧器喷嘴还向气雾剂提供碳，以用于混合和/或涂覆气雾剂颗粒。
通过加热液滴气雾剂将液体液滴转化成可以作为粉末来收集的固体颗粒。把液体液滴转化成固体颗粒的方法可以包括液滴中的前体和/或液体介质的物理和/或化学转化，以及介质和/或反应产品的蒸发。液滴的组成部分的物理转化例如可以包括蒸发、成核以及晶体形成和生长。化学转化例如可以包括液滴中的一个或更多组成部分的氧化/还原反应、热解和/或碳化。
本公开内容的方法可以有利地是连续方法，例如液体混合物可以被连续地雾化并且转化成粉末。所得到的粉末的颗粒直径是可调谐的，并且可以小到几纳米以及大到几微米或者几百微米。
影响粉末生产的速率以及粉末的质量和尺寸的因素例如包括：液体混合物和液滴气雾剂的组成部分，例如(多种)前体和可选成分的浓度，液体介质；雾化速率；液滴尺寸，例如平均液滴直径；气雾剂/燃烧器喷嘴的数目和类型；火焰温度和腔室温度；压力；氧化剂(例如氧气)浓度，蒸气含量等等。鉴于本公开内容的引导，本领域技术人员可以选择适当的参数以便优化所生产的粉末的生产率、质量和尺寸。
在本公开内容的一个方面中，一种形成粉末的方法包括雾化液体混合物以便经过至少一个气雾剂喷嘴把具有一定流动方向的液滴气雾剂喷射到腔室中，其中所述腔室包括直接邻近所述至少一个气雾剂喷嘴的至少两个燃烧器喷嘴，并且每一个燃烧器喷嘴喷射邻近液滴气雾剂并且被指向在与液滴气雾剂相同的总体流动方向上的火焰。本公开内容的液体混合物包含液体介质以及一种或更多种溶解或悬浮的前体和可选的其他成分，并且可以具有溶液或悬浮液(例如胶体悬浮液)。来自燃烧器喷嘴的火焰提供热量以便把液滴气雾剂转化成粉末。
本公开内容的液体介质包括足够易挥发从而允许形成液滴气雾剂的一种或更多种液体。这样的液体例如包括：水；其中一种或更多种醇和低级醇，例如C1-12醇，比如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、糠醇；多羟基醇(polyhydridic alcohol)，比如乙二醇、丁二醇、丙二醇；醚，比如线性或有支链的低级醚、二甲醚、乙醚、甲基乙基醚、四氢呋喃；酮以及线性或有支链的低级酮，比如丙酮、甲基乙基酮；有机酸，比如甲酸、乙酸、丁酸、苯甲酸；有机酯，比如甲酸酯、乙酸酯、丙酸酯；碳氢化合物，比如线性或有支链的烷烃(例如丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷)线性或有支链的烯烃、芳烃溶剂或液体；卤化溶剂或液体，比如氯化溶剂或液体；等等。
在本公开内容的一个实施例中，所述液体介质是仅包括水作为液体介质或者包括水以及一个或更多种水溶性液体(比如一种或更多种水溶性醇、有机酸等等)的水介质。所述水介质还可以包含一种或更多种pH值调节试剂，比如无机酸，例如HCl、硝酸、硫酸，或者碱，例如氨水；作为处理助剂的一种或更多种表面活性剂和/或缓冲剂以及/或者其他组成部分。
在本公开内容的一个方面中，形成粉末的方法包括形成用于电池的粉末，并且特别是形成可用作次级(即可再充电)电池的电极中的电化学活性材料的粉末(在后文中称作一种或多种活性电极粉末)。
在其基本形式中，电池包括一个或更多电化学电池单元，所述电化学电池单元又包括阳极电极、阴极电极和电解质，以便在阳极和阴极电极之间传送离子。电池单元可以附加地包括阳极和阴极电极之间的分离器。根据本公开内容的某些实施例生产的粉末可以被用作次级电池的其中一种或更多种电化学活性电极材料，例如作为阴极电极中的活性阴极材料或者作为阳极电极中的活性阳极材料。
可以通过把一种或更多种电化学活性阴极粉末(在后文中称作一种或多种阴极粉末)施加到电流收集器上而形成阴极电极。所述一种或更多种活性阴极粉末可以可选地与一种或更多种结合剂(binder)以及/或者与一种或更多种导电稀释剂(例如导电的碳)相组合，并且随后被施加到电流收集器从而形成阴极电极，所述阴极电极又可以被组装在电池单元中从而形成次级电池。通过把一种或更多种电化学活性阳极粉末(在后文中称作一种或多种阴极粉末)施加到电流收集器上可以类似地准备阳极电极。所述一种或更多种活性阳极粉末可以可选地与一种或更多种结合剂以及/或者与一种或更多种导电稀释剂(例如导电的碳)相组合，并且随后被施加到电流收集器从而形成阳极电极，所述阳极电极又可以被组装在电池单元中从而形成次级电池。
在本公开内容的一个实施例中，液体混合物包含用以形成一种或更多种活性锂电极粉末的一种或更多种前体，例如包含一种或更多种活性锂金属阴离子或锂混合金属阴离子化合物的粉末，其可以被用作次级电池中的阴极电极或阳极电极中的电化学活性材料。液体混合物可以可选地包括一种或更多种掺杂剂前体以及可选地一种或更多种碳前体。当存在时，所述一种或更多种掺杂剂前体可以被用来向粉末提供掺杂剂，并且所述一种或更多种碳前体可以提供碳的来源以便与粉末的颗粒混合和/或涂覆粉末的颗粒。掺杂剂和碳可以被用来增强活性锂电极粉末的性能。
本公开内容的活性锂金属阴离子或锂混合金属阴离子化合物可以通过下面的一般性公式来表示：LiaMIbMIIcXd，其中Li代表锂，MI代表例如第一行过渡金属之类的金属，比如Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn或其组合，MII可选地存在，并且当存在时可以是与MI相同或不同的金属，并且还可以包括例如Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、Cd、B、Al、Ga、Sn、Sb或其组合之类的金属，X代表阴离子，并且a、b、c、d代表对应于该化合物的适当配位数，也就是整数或其分数。可以被形成到根据本公开内容的粉末中的活性锂金属阴离子或锂混合金属阴离子化合物包括锂金属和混合金属氧化物和磷酸盐，例如Li4Ti5O12、LiV3O8、LiMn2O4、LiCoO2、Li(CoMn)O4、Li(NiMn)O4、LiNiO2、Li(NiMnCo)O2、Li(Ni1-x-yMnxCoy)O2、Li(Ni1-xCox)O2、Li(NiCoAl)O2，其中x和y代表对应于该化合物的适当配位数；例如LiMPO4之类的锂金属磷酸盐，其中M是Ti、V、Cr、Fe、Co、Mn、Ni、Sn及其组合；Li3V2(PO4)3、LiFePO4、Li2FePO4F、Lix(Fe1-yMy)PO4，其中M是从包括Co、Ni、Cu、Zn、Al、Sn、B、Ga、Cr、V、Ti、Mg、Ca和Sr的一组当中选择的至少一个成员，其中x和y代表对应于该化合物的适当配位数；LiZnSb、Li-S等等。
在本公开内容的一个方面中，液体混合物包含液体介质(例如水介质)以及用以形成一种或更多种活性锂金属或混合金属氧化物粉末或者一种或更多种活性锂金属或混合金属磷酸盐粉末的一种或更多种溶解或悬浮的前体。包括此类前体的液体混合物可以可选地包括一种或更多种掺杂剂前体以及可选地一种或更多种碳前体以及可选地一种或更多种其他成分以帮助所述处理。
可以被包括在液体混合物中并且被用来形成本公开内容的活性电极粉末的前体例如包括锂、金属和阴离子前体，其可以具有单独的材料的形式或者具有组合这些元素当中的两种或更多种的材料的形式。举例来说，所述锂、金属和阴离子前体可以是分别包括锂、金属和阴离子以及以下各项当中的至少一种元素的化合物：氢、氧、硫、氮、磷、碳和卤素(比如溴、氯和碘)。此类前体的实例包括：一种或更多种锂前体，比如锂有机金属(lithium organometallic)、乙酸锂、氢氧化锂、硝酸锂(LiNO3)、草酸锂、氧化锂、磷酸锂、磷酸二氢锂、碳酸锂(Li2CO3)；金属前体，比如有机金属、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn和Mg的乙酸盐、柠檬酸盐、乳酸盐、硫酸盐、硝酸盐、醇盐、氢氧化物等等、例如偏钒酸铵(NH4VO3)之类的铵金属氧化物、例如(NH4)2Fe(SO4)2之类的铵金属硫酸盐前体；阴离子前体，比如一种或更多种磷酸盐前体，例如磷酸(H3PO4)、P2O5、磷酸铵((NH4)3PO4)、磷酸二氢铵(NH4H2PO4)等等。
在本公开内容的一个方面中，液体混合物包括水和一种或更多种水溶性液体以及用于产生磷酸铁锂粉末的前体。这样的液体混合物可以通过把水和可选地一种或更多种水溶性液体与用于产生磷酸铁锂粉末的一种或更多种溶解或悬浮的前体相组合来准备。这样的前体例如包括把以下各项相组合：一种或更多种锂前体，比如乙酸锂、氢氧化锂、硝酸锂(LiNO3)、草酸锂、氧化锂、磷酸锂、磷酸二氢锂、碳酸锂(Li2CO3)；一种或更多种铁前体，比如硫酸铁、乙酸铁、(二价)草酸铁(FeC2O4)、(三价)碳酸铁、(二价)氯化铁、(二价)乳酸铁、(三价)硝酸铁、碳酸铁；一种或更多种磷酸盐前体，比如磷酸(H3PO4)、P2O5、磷酸铵((NH4)3PO4)、磷酸二氢铵(NH4H2PO4)等等。包括此类前体的液体混合物可以可选地包括一种或更多种掺杂剂前体以及可选地一种或更多种碳前体。
本公开内容的其他实施例包括用于产生LiCoO2粉末的液体混合物，其例如可以通过把水介质(例如水以及可选地水溶性液体)与硝酸锂和硝酸钴相组合来准备。用于产生LiMn2O4粉末的液体混合物可以通过把水介质(例如水以及可选地水溶性液体)与硝酸锂和硝酸锰相组合来准备。包括此类前体的液体混合物可以可选地包括其他成分，例如一种或更多种掺杂剂前体以及/或者一种或更多种碳前体。
可以被包括在液体混合物中的掺杂剂前体例如包括精炼纯金属(fine metal)或者包含镁、铝、钛、锆、钒、铌、钽、铬、钼、钨、锰、锝等等当中的一种或更多种或者其混合物的有机金属。这样的掺杂剂前体例如包括乙酸镁、偏钒酸铵(NH4VO3)、乙酸铬氢氧化物(Cr3(OH)2(OOCCH3)7)、硝酸铬(Cr(NO)3)、乙酸锰(Mn(II)(CH3COO)2，Mn(III)OAc2H2O2)、Nb2O5、MnCO3、MgSO4、Al(NO3)2、Mg(CH3CO2)2、Zn(OC2H5)4、Ti(OCH3)4、掺杂剂的精炼纯金属粉末等等。通过向包括用以形成活性电极粉末的前体的液体混合物添加一种或更多种掺杂剂可以得到掺杂活性电极粉末。
可以向液体混合物添加附加的成分以便增强所得到的粉末的性能。在本公开内容的一个方面中，向用于产生活性电极粉末的液体混合物添加成分以便改进用在次级电池中的活性电极粉末的性能。这样的成分例如包括帮助金属前体溶解在液体混合物中的一种或更多种螯合剂，一种或更多种碳前体，例如可以碳化到基本上含碳的材料(即至少95％的碳)的前体。这样的碳前体在产生活性电极粉末方面是有利的，这是因为碳前体的碳化形式可以与活性电极粉末混合并且/或者涂覆活性电极粉末，从而充当在产生活性电极粉末的处理期间生成的碳的来源。优选的是，碳前体碳化到改进活性电极粉末的导电性的含碳材料的形式。这样的碳前体例如包括一种或更多种有机酸，比如乙酸、柠檬酸、抗坏血酸、草酸、月桂酸、有机芳香酸(比如苯甲酸、邻苯二甲酸(C6H4(CO2H)2)、偏苯三甲酸(C6H3(CO2H)3)、苯均四酸(C6H2(CO2H)4)、苯六甲酸(C6(CO2H)6))，一种或更多种多羟基醇，比如蔗糖、葡萄糖、果糖、乙二醇，比如聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮之类的聚合物。但是优选地在低浓度下对于液体混合物使用任何聚合物(例如相对于总的液体混合物低于20wt％)，这是因为发现聚合物倾向于使得所产生的粉末结块。
在某些情况下，液体混合物的成分可以具有多个角色，比如同时充当螯合剂和碳前体。可以向液体混合物添加附加的成分以便增强例如导电碳之类的所产生的活性电极粉末的性能，比如乙炔黑、 和Li导电碳黑(可以从TIMCAL Ltd.获得)、碳纳米管等等。
在本公开内容的一个方面中，一种形成粉末的方法包括雾化包含一种或更多种锂、金属和阴离子前体以及可选地一种或更多种掺杂剂前体和可选地一种或更多种碳前体的液体混合物，以便经过至少一个气雾剂喷嘴(例如至少6个或至少20个气雾剂喷嘴)把具有一定流动方向的液滴气雾剂喷射到腔室中。该实施例的腔室包括直接邻近每一个气雾剂喷嘴的至少两个燃烧器喷嘴。每一个燃烧器喷嘴喷射邻近液滴气雾剂并且被指向在与液滴气雾剂相同的总体流动方向上的火焰。来自火焰的热量把液滴气雾剂转化形成一种或更多种活性锂金属或混合金属氧化物粉末或者活性锂金属或混合金属磷酸盐粉末，其可选地被掺杂并且可选地与碳混合和/或被碳涂覆。
在本公开内容的一个方面中，燃烧器火焰还可以形成用于与通过液滴气雾剂生成的所得到的粉末相组合的碳颗粒。可以使得燃烧器火焰通过在没有足够氧化剂的情况下燃烧碳氢化合物来形成碳颗粒，以便利用碳氢化合物燃料附近的火焰完全燃烧碳氢化合物。使用碳氢化合物燃料富集的火焰的一个附加的优点在于，这样的火焰可以在液滴气雾剂的产生期间在腔室中保持还原环境，从而最小化前体氧化到不合期望的状态的情况。
正如前面所解释的那样，本公开内容的形成粉末的方法包括形成可用作次级电池中的电化学活性阴极或阳极材料的粉末。在通过经由气雾剂喷嘴雾化液体混合物而产生活性电极粉末之后，可以对粉末进行进一步处理。举例来说，粉末可以经历热处理，这例如是通过使得粉末在无条件的大气(例如开放大气)中或者在惰性或还原大气下或者在真空下经受高温，例如高于大约600℃。在本公开内容的一个实施例中，活性电极粉末经受热处理步骤。在热处理之后，活性电极粉末可选地与结合剂和导电稀释剂混合并且被施加到电流收集器以形成电极(例如阴极或阳极电极)，并且被组装在电池中。
实例
下面的实例意图进一步说明本发明的某些优选实施例，并且不是限制性的。通过使用不超出例行范围的实验，本领域技术人员将认识到或者将能够确定针对这里所描述的具体物质和规程的许多等效方案。
利用在图1中示出但是被水平指向的装置，生产了下面的粉末。实例A(掺杂铬的LiFePO4/C)
通过把87g的乳酸亚铁(可以从Sigma-Aldrich获得)与经过优化的数量的柠檬酸(可以从Sigma-Aldrich获得)溶解在近似1.5L的水中来准备0.3摩尔前体水混合物。随后，依次把34g的磷酸(可以从Sigma-Aldrich获得)和11g的碳酸锂(可以从Alfa-Aesar获得)添加到包含柠檬酸和乳酸亚铁的水混合物中。该例中的柠檬酸同时充当铁离子螯合剂和碳前体。少量乙酸铬也作为掺杂剂前体被添加到水混合物中，以便对最终得到的活性锂金属磷酸盐粉末进行掺杂。
通过喷雾喷嘴的阵列把包含各种前体的水混合物作为液滴气雾剂引入到混合腔室中。在该具体实例中使用了6个气雾剂喷嘴，每一个以大约3l/hr的速率运行。使用了总共7个燃烧器喷嘴，每一个以大约70L/min的空气和丙烷混合物的流量以及大约1.2的当量比运行。至少三个燃烧器喷嘴直接邻近每一个气雾剂喷嘴。腔室120和130的温度被保持在大致350℃。在该具体运行中，通过袋滤室过滤器收集到43g的掺杂铬的LiFePO4/C粉末。
随后在5％H2/95％N2还原大气中在大约750℃下在管式炉中对所收集的粉末进行2小时的热处理。
从根据该例生产的活性阴极粉末形成阴极电极。最初通过把所生产的LiFePO4/C粉末(80wt％)与Super-P碳(10wt％)和分散在正甲基吡咯烷酮中的聚偏二氟乙烯(10wt％)相组合以形成浆体来制作阴极膜。利用刮墨刀(doctor blade)技术把所述浆体涂覆到铝(Al)箔片上，在真空中并且在130℃下干燥一夜，随后对其进行滚压以便实现涂覆材料与Al箔片之间的良好粘附。利用精密切割机冲压出具有15mm直径的阴极盘。
通过组装在填充有高纯度氩气的手套箱内部的2016型硬币半电池单元(coin half-cell)中的测试来确定所生产的LiFePO4/C的电化学属性。所述电池单元包括通过微孔聚丙烯分隔物而分隔开的阴极盘和锂金属阳极。碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯的1:1体积混合物中的1MLiPF6溶液被用作电解质。
在从0.1到1C变化的速率下对电池单元进行充电和放电，其中C速率表示等于一个小时内的电池理论容量的充电或放电速率。利用包括根据该例生产的粉末的阴极电极制成的硬币电池单元电池的初始放电容量在0.1C下高于125mAh/g，并且在1C下高于110mA/g。
实例B(掺杂钒的LiFePO4/C)
在近似1.5L水中利用化学计量数量的乳酸亚铁、磷酸、碳酸锂准备0.3摩尔前体水混合物。最初添加经过优化的数量的柠檬酸以便同时充当螯合试剂和碳前体。此外还向所述水混合物添加少量偏钒酸铵以作为掺杂剂前体，以便对所产生的粉末进行掺杂。在该具体运行中，通过袋滤室过滤器收集到47g的掺杂钒的LiFePO4/C粉末。
随后在5％H2/95％N2还原大气中在大约750℃下在管式炉中对所收集的粉末进行2小时的热处理。
类似于在实例A中描述的电池单元但是利用根据该例生产的粉末来组装测试电池单元。在从0.1到1C变化的速率下对电池单元进行充电和放电。利用包括根据该例生产的粉末的阴极电极制成的硬币电池单元电池的初始放电容量在0.1C下高于125mAh/g，并且在1C下高于110mA/g。
实例C(锂镍钴锰氧化物)
在近似1.5L的水中利用化学计量数量的硝酸锂、硝酸镍、硝酸钴和硝酸锰准备0.3摩尔前体水混合物。在该具体运行中，通过袋滤室过滤器收集到24g的NCM粉末(名称上是Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2)。
随后在开放空气中在大约800℃下在管式炉中对所收集的粉末进行2小时的热处理。
类似于在实例A中描述的电池单元但是利用根据该例生产的粉末来组装测试电池单元。在从0.1到1C变化的速率下对电池单元进行充电和放电。利用包括根据该例生产的粉末的阴极电极制成的硬币电池单元电池的初始放电容量在0.1C下高于125mAh/g，并且在1C下高于110mA/g。
实例D(锂铁锰磷酸盐)
在近似1.5L的水中利用化学计量数量的乳酸亚铁、乙酸锰、磷酸和碳酸锂准备0.3摩尔前体水混合物。最初添加经过优化的数量的柠檬酸以便充当螯合试剂和碳来源。在该具体运行中，通过袋滤室过滤器收集到45g的LiFe0.7Mn0.3PO4/C粉末。
随后在5％H2/95％N2还原大气中在大约750℃下在管式炉中对所收集的粉末进行2小时的热处理。
类似于在实例A中描述的电池单元但是利用根据该例生产的粉末来组装测试电池单元。在从0.1到1C变化的速率下对电池单元进行充电和放电。利用包括根据该例生产的粉末的阴极电极制成的硬币电池单元电池的初始放电容量在0.1C下高于125mAh/g，并且在1C下高于110mA/g。
表1
对应于雾化流量、燃料空气当量比和腔室温度的数值是近似的。
在本公开内容中仅仅示出并且描述了本发明的优选实施例及其多样性的实例。应当理解的是，本发明能够使用在多种其他组合和环境中，并且能够在这里所表达的发明性概念的范围内作出改变或修改。因此，通过使用不超出例行范围的实验，本领域技术人员将认识到或者将能够确定针对这里所描述的具体物质、规程和安排的许多等效方案。这样的等效方案被视为落在本发明的范围内，并且被所附权利要求书所涵盖。

Claims (21)

1.一种用于生产粉末的装置，所述装置包括：
具有顶板的腔室；
附着到顶板的喷嘴阵列，其中所述喷嘴阵列包括用于把液滴气雾剂引入到腔室中的至少一个气雾剂喷嘴，以及用于把火焰喷射到腔室中的直接邻近所述至少一个气雾剂喷嘴的至少两个燃烧器喷嘴，并且气雾剂和火焰被指向在相同的总体流动方向上；以及
允许所产生的粉末离开腔室的连接到腔室的出口端口。
2.权利要求1的装置，其中，所述喷嘴阵列包括至少6个气雾剂喷嘴，其中每一个气雾剂喷嘴直接邻近至少两个燃烧器喷嘴。
3.权利要求1的装置，其中，所述喷嘴阵列包括至少20个气雾剂喷嘴，其中每一个气雾剂喷嘴直接邻近至少两个燃烧器喷嘴。
4.权利要求1、2或3中任一项的装置，其中，所述气雾剂喷嘴是气雾剂气动喷雾喷嘴。
5.权利要求1、2或3中任一项的装置，其中，所述喷嘴阵列包括直接邻近每一个气雾剂喷嘴的至少三个燃烧器喷嘴。
6.权利要求1、2或3中任一项的装置，其中，每一个燃烧器喷嘴以矛的形状喷射火焰。
7.权利要求6的装置，其中，所述气雾剂喷嘴是气雾剂气动喷雾喷嘴。
8.权利要求1、2或3中任一项的装置，其中，所述装置具有高于1千克每小时(kg/hr)的生产率。
9.权利要求1、2或3中任一项的装置，其中，所述装置具有高于大约10千克每小时(kg/hr)的生产率。
10.权利要求1、2或3中任一项的装置，其中，其还包括与出口端口流体连通以便收集离开腔室的所产生的粉末的收集系统。
11.一种形成粉末的方法，所述方法包括：
雾化液体混合物以便通过至少一个气雾剂喷嘴把具有一定流动方向的液滴气雾剂喷射到腔室中，其中所述腔室包括直接邻近所述至少一个气雾剂喷嘴的至少两个燃烧器喷嘴，其分别喷射邻近液滴气雾剂并且被指向在与液滴气雾剂相同的总体流动方向上的火焰，所述液体混合物包含一种或更多种溶解或悬浮的前体，并且所述火焰提供用以把液滴气雾剂转化成粉末的热量。
12.权利要求11的方法，其中，雾化液体混合物以便喷射液滴气雾剂是通过至少20个气雾剂喷嘴进行的，并且所述腔室包括直接邻近每一个气雾剂喷嘴的至少两个燃烧器喷嘴以便喷射邻近液滴气雾剂的火焰。
13.权利要求11或12中任一项的方法，其中，雾化液体混合物的速率不低于大约每个气雾剂喷嘴1升每小时。
14.权利要求11或12中任一项的方法，其中，一个或多个气雾剂喷嘴是气动喷雾喷嘴，并且所述至少两个燃烧器喷嘴分别以矛的形状喷射火焰。
15.权利要求11或12中任一项的方法，其中，所述液体混合物包含用以形成一种或更多种活性电极粉末的前体以及可选地一种或更多种掺杂剂前体以及可选地一种或更多种碳前体。
16.权利要求15的方法，其中，所述液体混合物包含用以形成一种或更多种活性锂金属或混合金属磷酸盐粉末的前体。
17.权利要求16的方法，其中，所述液体混合物还包括碳化到基本上含碳的材料的一种或更多种碳前体，以便与所述一种或更多种活性锂金属或混合金属磷酸盐粉末进行混合并且/或者涂覆所述一种或更多种活性锂金属或混合金属磷酸盐粉末。
18.权利要求15的方法，其中，所述液体混合物包含用以对所述一种或更多种活性电极粉末进行掺杂的掺杂剂前体。
19.权利要求15的方法，其中，其中一个或更多燃烧器喷嘴生成与液滴气雾剂和/或来自液滴气雾剂的粉末进行混合的碳。
20.权利要求15的方法，其还包括从所述一种或更多种活性电极粉末形成电极。
21.权利要求20的方法，其还包括利用所述电极形成次级电池。
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