CN115215387A - 锂离子电池材料 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于产生锂离子电池材料的方法、系统和设备。将起始材料组合以形成包含锂的均匀前体溶液，并使用液滴制造器以产生具有可控尺寸的所述前体溶液的液滴。将这些液滴引入微波产生的等离子体中，其中形成微米或亚微米尺度的含锂颗粒。收集这些含锂颗粒并形成浆料以形成锂离子电池材料。

Description

锂离子电池材料
相关申请
本申请要求2016年6月23日提交的标题为“Microwave Plasma ProcessPossibilities for Manufacturing Lithium Ion Battery Materials(制造锂离子电池材料的微波等离子体方法可能性)”的第62/353,663号美国临时专利申请的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及用于制备电池材料的技术，更具体地涉及用于产生锂离子(Li离子)电池材料的技术。
背景技术
随着便携式电子装置尺寸的稳步减小，对可以为这些装置供电的较小且较轻的电池的需求增加。在混合电动和全电动车辆领域，对较高能量电池的需求也在增加。这些车辆可以通过减少传统燃烧发动机造成的空气污染和车辆排放来改善空气质量。可再充电Li离子电池可以用于消费电子产品和电动车辆应用。然而，昂贵且复杂的制造方法继续导致通常用于锂离子电池中的含锂的材料和锂离子电池的高成本。
锂离子电池通常含有被称为阳极的负电极、被称为阴极的正电极以及阳极与阴极之间的电解质。在充电期间，锂离子(Li+)从阴极通过电解质迁移并嵌入阳极结构内。石墨可以用作阳极的插层化合物，因为Li离子可以嵌入石墨层之间的范德瓦尔斯(van derWaals)间隙中，它们储存在那里直到放电。在一些情况下，可以使用包括锂盐或锂离子导电聚合物的有机溶液作为电解质。
在锂离子电池中，对于阴极或正电极，含有适量锂过渡金属氧化物的单相材料是理想的。这种单相材料的实例包括LiNi0.8Co0.2O2、LiCoO2、LiNixMnyCozO2或LiNixCoyAlzO2。特别是对于LiNixMnyCozO2，改变锰、镍和钴的含量比可以调节电池的功率和能量性能。然而，这些单相过渡金属氧化物的生产可能需要耗费时间和能量的处理步骤，例如球磨、湿磨、烧结、洗涤、混合、研磨等。在一些情况下，碱性溶液用于一个或多个的初始处理步骤，这可能会产生不需要的副产物。这些方法的复杂性导致锂离子电池的高成本。另外，调整或优化锂离子电池材料的化学计量学可能难以或不可能在大规模或商业规模上实现。
概述
本技术的示例性实施方案涉及用于产生含锂的颗粒和调整锂离子电池材料的系统和方法。在一个方面，本技术涉及用于产生锂离子电池材料的方法。所述方法包括将原材料组合以形成包含锂的均匀前体溶液，以及使用液滴制造器产生所述均匀前体溶液的具有可控尺寸的液滴。所述方法还包括将所述均匀前体溶液的液滴引入微波产生的等离子体中、从所述微波产生的等离子体中产生微米或亚微米尺度的含锂的颗粒、收集所述含锂的颗粒以及形成具有所述含锂的颗粒的浆料以形成锂离子电池材料。
本技术该方面的实施方案可以包括以下特征中的一个或多个。在一些实施方案中，收集所述含锂的颗粒包括使所述含锂的颗粒淬火，并且所述方法还包括通过选择淬火流体、控制淬火流体流速或控制淬火流体温度来控制所述含锂的颗粒的淬火速率。在一些实施方案中，所述方法还包括使用所述液滴制造器控制所述均匀前体溶液的液滴的尺寸。在一些实施方案中，所述方法还包括通过控制等离子体气体流速、所述微波产生的等离子体的功率密度和/或所述液滴离开液滴制造器的速度来控制所述液滴在所述微波产生的等离子体中的停留时间。在一些实施方案中，所述均匀前体溶液包括乙酸锂、乙酸镍、乙酸锰和乙酸钴的水合或非水合形式的水溶液。在其他实施方案中，所述均匀前体溶液包括硝酸锂、硝酸镍、硝酸锰和硝酸钴的水溶液。在一些实施方案中，产生具有可控尺寸的液滴包括产生具有不同直径的液滴的两个或更多个流。在一些实施方案中，所述微波产生的等离子体在氧气或含氧气体中产生。
在另一个方面，本技术涉及调整锂离子电池材料的方法。所述方法包括将原材料组合以形成包含锂的均匀前体溶液，以及使用液滴制造器产生所述均匀前体溶液的具有可控尺寸的液滴。所述方法还包括将所述均匀前体溶液的液滴引入微波产生的等离子体中、从所述微波产生的等离子体中产生微米或亚微米尺度的含锂颗粒以及使所述含锂的颗粒淬火。所述方法还包括通过控制前体溶液化学物质、液滴尺寸、等离子体气体流速、所述液滴在所述微波产生的等离子体中的停留时间、淬火速率或所述微波产生的等离子体的功率密度，来调整所述含锂的颗粒的孔隙率、形态、粒度、粒度分布或化学组成。
本技术该方面的实施方案可以包括以下特征中的一个或多个。在一些实施方案中，调整所述含锂的颗粒的形态包括控制所述液滴在微波产生的等离子体中和所述微波产生的等离子体的余辉区域中的停留时间。在一些实施方案中，控制锂离子颗粒的孔隙率包括控制均匀前体溶液中的硝酸盐材料和乙酸盐材料的量、控制溶液前体化学物质或控制液滴在微波产生的等离子体中的停留时间。在一些实施方案中，控制所述含锂的颗粒的化学组成包括控制所述前体溶液中原材料的比例。在一些实施方案中，控制锂离子颗粒的粒度包括控制所述前体溶液液滴的液滴尺寸或控制所述前体溶液中原材料的浓度。在一些实施方案中，产生具有可控尺寸的液滴包括产生具有不同直径的液滴的两个或更多个流。在一个这样的实施方案中，使用所述液滴制造器中的不同喷嘴或开口产生液滴的两个或更多个流。在一些实施方案中，调整锂离子颗粒的化学组成包括在形成均匀前体溶液之前确定锂离子颗粒的期望化学组成，并基于所述锂离子颗粒的期望化学组成计算原材料的化学计量比例。
在另一个方面，本技术涉及制备表示为下式的含锂颗粒的方法：LiNixMnyCozO2，其中x≥0，y≥0，z≥0，且x+y+z＝1。所述方法包括将锂盐、镍盐、锰盐以及钴盐的组合溶解在溶剂中以形成均匀前体溶液，使用液滴制造器产生具有可控尺寸的所述均匀前体溶液的液滴，将所述液滴引入微波产生的等离子体中，从所述微波产生的等离子体中生产微米或亚微米尺度的LiNixMnyCozO2颗粒，以及收集所述LiNixMnyCozO2颗粒。在本技术该方面的一个实施方案中，产生具有可控尺寸的液滴包括产生具有不同直径的液滴的两个或更多个流以便在所述LiNixMnyCozO2颗粒之间产生多重峰粒度分布。
在另一个方面，本技术涉及制备表示为下式的含锂颗粒的方法：LiNixCoyAlzO2，其中x＝～0.8，y＝～0.15，z＝～0.05。所述方法包括将锂盐、镍盐、钴盐以及铝盐的组合溶解在溶剂中以形成均匀前体溶液，使用液滴制造器产生所述均匀前体溶液的均一尺寸的液滴，将所述均一尺寸的液滴引入微波产生的等离子体中，从所述微波产生的等离子体中产生微米或亚微米尺度的LiNixCoyAlzO2颗粒，以及收集所述LiNixCoyAlzO2颗粒。在本技术该方面的一个实施方案中，产生具有可控尺寸的液滴包括产生具有不同直径的液滴的两个或更多个流以便在所述LiNixCoyAlzO2颗粒之间产生多重峰粒度分布。
本技术的上述方面提供了一个或多个的以下优点。一些实施方案允许在数秒或数分钟内而不是数小时或数天内生产含锂颗粒。一些实施方案允许在不产生或限制产生有害或有毒副产物或不损失较大比例的起始材料的情况下，产生含锂颗粒。一些实施方案还允许使用单一生产系统生产具有不同化学组成和不同特性(例如，不同密度或形态)的含锂颗粒。一些实施方案还允许通过控制或调节各种处理参数来精确调整特定的含锂颗粒。一些实施方案还允许产生具有可控尺寸分布的含锂颗粒。一些实施方案还允许产生具有可控单粒度分布、双峰尺寸分布或多重峰粒度分布的含锂颗粒。一些实施方案允许产生具有表面涂层的含锂颗粒，所述表面涂层可以是不同的材料，例如碳、氧化铝等。
附图说明
当结合附图阅读时，本公开提供的前述和其他特征及优点将从示例性实施方案的以下描述得以更全面地理解，其中：
图1为根据本公开实施方案的产生含锂颗粒的示例性方法的流程图。
图2示出了产生含锂颗粒的常规分批处理技术10与本公开中描述的连续流程方法20之间的比较。
图3为根据本公开实施方案的用于调整锂离子电池材料的示例性方法的流程图。
图4示出了根据示例性实施方案的使用微波产生的等离子体产生含锂颗粒的示例性系统。
图5为说明根据示例性实施方案的用于调整锂离子电池材料的系统的框图。
图6为根据本公开实施方案制备的含锂颗粒的X射线衍射图案的图。
图7示出了图6的示例性含锂颗粒的放大图像。
技术详述
本文提供了用于生产含锂颗粒和锂离子电池材料的方法、系统和设备。例如，锂离子电池的阴极材料可以包括含锂过渡金属氧化物，例如LiNixMnyCozO2或LiNixCoyAlzO2。这些材料含有层状晶体结构，其中锂原子层位于过渡金属氧化物多面体层之间。随着锂离子从晶体结构中脱嵌，电荷中性随着过渡金属价态的增加而保持。LiNixMnyCozO2或LiNixCoyAlzO2具有理想的特性，例如相对高的能量密度(mAh/g)、高可循环性(每次充电/放电循环的退化％)以及热稳定性(≤100℃)。
根据常规技术，产生用于锂离子电池的含锂颗粒可能需要持续数小时至数天的8个至10个处理步骤。根据一些技术，在浆料可以形成之前，含锂颗粒的起始材料必须全都经过搅拌、沉淀、过滤、洗涤、干燥、筛分、混合、煅烧、分级和涂覆。
生产含锂颗粒的固态方法通常是多步骤方法，需要粉碎化学计量比例的固体前体，随后进行高温扩散反应以形成最终结构。这些方法常常产生大且不规则形状的颗粒，这些颗粒表现出相不均匀性、不均一的尺寸分布和低表面积，导致锂离子扩散路径的阻力增加。通常需要后处理减小粒度以增加表面积并使Li离子扩散路径长度最小化。当将阴极材料以带状浇铸到集电器上时，克服不规则形状颗粒之间的滑动摩擦和团聚需要使用昂贵且有毒的溶剂，例如N-甲基吡咯烷酮。这些溶剂增加了制造方法的复杂性和成本。此外，多且长的处理步骤增加了污染物的风险，这导致纯度降低。
例如，通过共沉淀合成LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2通常为涉及NiSO4、CoSO4和MnSO4的溶液反应的多步骤方法。将所得(Ni1/3Mn1/3Co1/3)(OH)2在约105℃下干燥，随后在约500℃下与LiOH*H2O反应，然后在900℃-1000℃下煅烧多至约10小时。所得粉末具有宽的尺寸分布，其包括球形、半球形和不规则形状的颗粒。化学废液含有亚硫酸盐和强碱，需要特殊处理和处置，这增加了成本。
喷雾热解技术也可以用于合成锂离子阴极材料。示例性喷雾热解方法可以用于以LiNO3、Ni(NO3)、Co(NO3)2和Mn(NO3)2的前体水溶液开始合成LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2。前体溶液使用超声雾化器进行雾化，并使用炉子或火焰暴露于≥500℃，其中所述前体溶液蒸发并分解成期望的LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2颗粒。然而，这些技术可能产生有毒或不需要的副产物。例如，在喷雾热解期间使用硝酸盐会产生NOx。此外，高压和超声雾化器可以产生相当大的尺寸分布，导致所得颗粒的尺寸依赖性热历史，这可能导致相和形态不均匀性。
根据本公开中所述的技术，可以使用单一流程方法生产含锂颗粒，所述单一流程方法可以在数百毫秒而不是数小时或数天内完成。不仅显著简化和加速了产生含锂颗粒的方法，最终产品的尺寸明显更均匀，并且可以精确地调整孔隙率、形态和化学组成。本文所述的技术可以用于产生基于锂的电池的阴极、阳极或固体电解质材料。用于阴极、阳极和电解质中的一种或多种的示例性材料包括但不限于：LiNixMnyCozO2、LiNixCoyAlzO2、LiFePO4、Li8ZrO6、Li2FeMn3O8、Li4Ti5O12、SnO2、Co9S8、LiVP2O7、NaLaTi2O6、LixPOyNz、Li石榴石以及Li10GeP2O12。
化学均匀和均一的尺寸可控的液滴原料溶液和均匀热处理的组合提供了优于常规固态、共沉淀和喷雾热解处理技术的明显优势。在本公开的一个实施方案中，均匀前体溶液在分子水平下混合，以确保起始材料在溶液中的均匀分布。使用液滴制造器将前体溶液形成液滴，所述液滴制造器可以产生具有精确可控尺寸的液滴的一个或多个流。在一些实施方案中，所述液滴制造器可以是压电液滴制造器，例如在第9,321,071号美国专利和第2016/0228903号美国专利公开中描述的液滴制造器，所述专利均通过引用整体并入。在一个特定实施方案中，所述液滴制造器可以将液滴的尺寸控制为具有约±2％的尺寸分布的精确直径。在一些实施方案中，所述液滴制造器可以包括具有不同尺寸的喷嘴或开口，以便产生具有不同直径的液滴流，这可以在最终颗粒中产生多重峰粒度分布。然后可以将前体溶液的液滴作为液滴的单一流或几个线性流轴向注入等离子体中。所述等离子体可以包括，例如，轴对称的微波产生的等离子体，其具有层流气流和基本均一的温度分布。这种微波产生的等离子体的实例可以在第8,748,785号美国专利、第8,951,496号美国专利、第9,023,259号美国专利和第2013/0270261号美国专利公开中找到，它们均通过引用整体并入。每个液滴通过层流等离子体遵循相同热路径，确保产生的每个颗粒具有相同的热历史，并产生基本上一致的最终组成。
在另一示例性实施方案中，本文所述的技术可以用于生产含锂材料，例如在无需后处理的单一处理步骤中，LiNixMnyCo2O2(其中x≥0，y≥0，z≥0，且x+y+z＝l)和LiNixCoyAlzO2(其中x＝～0.8，y＝～0.15，z＝～0.05)正阴极粉末。通过精调各种处理参数，可以调整和精确控制最终含锂颗粒的各种特性，例如孔隙率、粒度、粒度分布、相组成和纯度、微观结构等。在一些实施方案中，这些处理参数可以包括前体溶液化学物质、液滴尺寸、等离子体气体流速、等离子体处理气氛、液滴在等离子体中的停留时间、淬火速率、等离子体的功率密度等。在一些实施方案中，可以调整这些处理参数以生产具有高表面积、特定孔隙率水平、低阻力的Li离子扩散路径、约±2％的窄尺寸分布并含有纳米晶粒微结构的微米和/或亚微米尺度颗粒。在一些实施方案中，通过控制等离子体气体流速和/或控制微波产生的等离子体的功率密度，可以控制液滴在等离子体中的停留时间。在一些实施方案中，可以通过选择不同的淬火流体(例如氮气、氧气或氦气)来调节淬火速率。例如，氦气可以提供比其他流体更高的淬火速率，但是可能会对生产方法增加显著的成本。在一些情况下，可以通过控制等离子体处理气氛来调节等离子体的不同特性，所述等离子体处理气氛可以包括O2或氧气、氩气、氦气等的各种混合物。
在一些实施方案中，在前体溶液中使用硝酸盐可以产生更多孔的含锂颗粒，因为硝酸盐可以与微波产生的等离子体的热反应以引起放热反应和气体的快速释放，这导致孔隙率。在其他实施方案中，与使用硝酸盐时相比，在前体溶液中使用乙酸盐可以产生更致密的含锂颗粒，因为乙酸盐不以与硝酸盐相同的方式与微波产生的等离子体的热反应。此外，在前体溶液化学物质中使用乙酸盐不会产生NOx排放或危险废物，并且可以连续运行。应理解的是，可以在前体溶液中使用硝酸盐和乙酸盐的各种混合物和比例，以便调整含锂颗粒具有期望的孔隙率。
在一个示例性实施方案中，可以使用包括1mol乙酸锂[Li(COOCH3)]、0.33mol乙酸镍四水合物[Ni(COOCH3)2*4H2O]、0.33mol乙酸锰四水合物[Mn(COOCH3)2*4H2O]以及0.33mol乙酸钴四水合物[Co(COOCH3)2*4H2O)]的水溶液的前体溶液来产生LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(NMC-333)。如上所述，将该前体溶液混合成均匀溶液，并使用液滴制造器形成具有可控尺寸的液滴。然后可以将前体溶液的液滴轴向引入微波产生的等离子体，其中液体被蒸发，乙酸盐分解，剩余的过渡金属阳离子与含氧等离子体反应，得到期望化学计量的球形陶瓷颗粒。
在可替代实施方案中，LiNixMnyCozO2的不同化学组成可以通过调整均匀前体溶液中起始材料的比例来生产。例如，LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2(NMC-532)、LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2(NMC-622)或LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC-811)可以通过向前体溶液提供不同比例的锂、镍、锰和钴盐来生产。
其他含锂材料，例如LiPON或Li10GeP2O12，可以使用本文所述的技术生产。例如，可以通过使用包括硝酸锂和磷酸铵的均匀混合物的前体溶液来生产目标化学计量的Li3PO4- xNx。可以使用本公开中所述的技术产生的其他材料包括LMO(其可以作为LiMnO2、Li2Mn2O4或Li1.12Mn1.88O2存在)、LTO(其表现为式Li4Ti5O12)、LiVP2O7、LiFePO4、Li8ZrO6、Li2FeMn3O8等。
根据一些实施方案，本公开中所述的技术和系统可以用于产生核-壳结构，例如碳涂覆的颗粒(例如，涂覆有碳的含锂颗粒)。其他涂层或壳(例如氧化铝涂层)也可以使用本文所述的技术产生。在其他实施方案中，可以将不同类型的电池材料涂覆或层积到衬底上，例如电池的集电器。这些材料可以沉积在具有期望厚度的离散层中，或作为连续渐变涂层，其中涂层的材料组成在整个涂层厚度中逐渐变化。在一些实施方案中，可以通过控制初始前体溶液的组成来沉积这些不同的材料。
图1为根据本公开实施方案的用于产生含锂颗粒的示例性方法的流程图100。在步骤101中，组合多种起始材料以形成包含锂的均匀前体溶液。在一些实施方案中，均匀前体溶液在分子水平下混合，以使得在前体溶液内存在均匀分布的起始材料。例如，所述均匀前体溶液可以包括由诸如乙酸锂、乙酸镍四水合物、乙酸锰四水合物和乙酸钴四水合物的金属盐全部溶解在溶剂(例如水)中制成的水溶液。在另一个实例中，所述均匀前体溶液可以包括由诸如硝酸锂、硝酸镍、硝酸锰和硝酸钴的金属盐全部溶解在溶剂(例如水)中制成的水溶液。如上所讨论的，不同化学计量比例的起始材料可以导致最终含锂颗粒中的不同化学组成。
在步骤103中，使用液滴制造器以可控尺寸产生所述均匀前体溶液的液滴。例如，所述液滴制造器可以是压电液滴制造器，其配置成产生具有精确尺寸和直径的液滴的一个或多个流。在一些实施方案中，液滴的尺寸基于所述液滴制造器的毛细管板中的毛细管喷嘴或孔的尺寸和/或几何形状确定。所述液滴制造器可以配置成产生具有相同尺寸的液滴的一个或多个流，或具有不同尺寸和直径的液滴的各种流。在一个特定实施方案中，所述液滴制造器可以将液滴的尺寸控制为具有约±2％的尺寸分布的精确直径。
在步骤105中，将所述均匀前体溶液的液滴引入微波产生的等离子体中。在一些实施方案中，可以将所述液滴轴向注入微波等离子体焰炬中，使得由所述液滴制造器产生的液滴流内的每个液滴暴露于相同的温度分布。如上所讨论的，所述等离子体可以包括具有层流气流的轴对称微波产生的等离子体，使得所述液滴暴露于等离子体内一致的热路径。
在步骤107中，由所述微波产生的等离子体产生微米和亚微米尺度的含锂颗粒。在一个示例性实施方案中，当所述液滴通过所述微波产生的等离子体时，液体蒸发，所述前体溶液中的乙酸盐和/或硝酸盐分解，并且剩余的过渡金属与等离子体反应并产生期望化学组成的球形陶瓷颗粒。如上所讨论的，所述含锂颗粒的各种特性可以通过控制不同的处理参数来调整，例如液滴在微波产生的等离子体中的停留时间以及其他参数。在一些实施方案中，所述停留时间可以通过调整等离子体气体流速、所述微波产生的等离子体的功率密度和/或所述液滴离开液滴制造器的速度来控制。
在步骤109中，收集所述含锂颗粒。在一些实施方案中，收集所述含锂颗粒包括使用例如淬火腔室使颗粒淬火。在一些实施方案中，所述含锂颗粒的淬火速率可以通过选择淬火流体、控制淬火流体的流速或控制淬火流体温度来控制。淬火流体的实例包括氧气、氮气、液氮或氦气。在另一个实施方案中，含锂颗粒在没有添加任何气体的情况下自然地淬火进入腔室中。在可替代实施方案中，本文所述的含锂颗粒可以直接从等离子体涂覆到衬底材料上。
一旦收集了所述含锂颗粒，就在步骤111中用含锂颗粒形成浆料以形成锂离子电池材料。
图2示出了生产含锂颗粒的常规分批处理技术10与本公开中描述的连续流程方法20之间的比较。根据常规的分批处理技术10，一定量的起始材料必须经历许多需要不同的机械和化学反应的离散处理步骤。在浆料可以形成之前，所有这些步骤可以包括，例如，搅拌、沉淀、过滤、洗涤、干燥、筛分、混合、煅烧、分级和涂覆。对于每批起始材料，这些技术可能需要数天来完成。相反，本公开中所述的连续流程方法20可以在单一连续步骤中由一组起始材料形成含锂颗粒，所述单一连续步骤可以在数毫秒至数分钟的范围内完成。具体地，一旦将起始材料溶解于前体水溶液中，就将前体溶液的液滴引入等离子体焰炬中，所述等离子体焰炬在单一步骤中产生含锂颗粒。参考图1、4和5更详细地描述等离子体焰炬内发生的反应、系统的各种组件以及如何制备前体溶液的实例。
除了提供更快的处理时间(数分钟相对于数天)的优势之外，本技术的实施方案允许定制或调整各种材料特性。图3为根据本公开实施方案的用于调整锂离子电池材料的示例性方法的流程图200。步骤201涉及在形成所述均匀前体溶液之前确定所述含锂颗粒的期望化学组成。在一些实施方案中，本文公开的技术可以用于生产具有不同化学组成的各种含锂颗粒，例如NMC-333、NMC-532、NMC-622、NMC-811。如上所讨论的，取决于最终颗粒的期望性质，这些含锂颗粒中的每一种均可以使用乙酸盐和/或硝酸盐或前体溶液中的其他化学物质来产生。在其他实施方案中，还可以生产LiNixCoyAlzO2或Li3PO4-xNx的各种化学组成。
一旦确定了含锂颗粒的期望化学组成，就在步骤203中计算起始材料的化学计量比例。这些比例基于最终颗粒的期望化学组成，并且可以精确地调整以生产期望颗粒。在一个示例性实施方案中，为了产生NMC-333，起始材料可以包括1mol乙酸锂[Li(COOCH3)]、0.33mol乙酸镍四水合物[Ni(COOCH3)2*4H2O]、0.33mol乙酸锰四水合物[Mn(COOCH3)2*4H2O]以及0.33mol乙酸钴四水合物[Co(COOCH3)2*4H2O]。在另一个实施例中，产生NMC-333的起始材料可以包括1mol硝酸锂[LiNO3]、0.33mol硝酸镍[Ni(NO3)2]、0.33mol硝酸锰[Mn(NO3)2]以及0.33mol硝酸钴[Co(NO3)2]。为了产生NMC-532、NMC-622、NMC-811等，可以计算起始材料的不同化学计量比。
步骤205确定是否应该调整含锂颗粒的形态。如果要调整形态，则所述方法继续至步骤207，其中控制液滴在微波产生的等离子体中的停留时间，以便调整含锂颗粒的形态。例如，在一些实施方案中，通过增加在特定温度下的停留时间，可以最小化或消除无定形相。在一些实施方案中，通过控制等离子体气体的流速、微波产生的等离子体的功率密度和/或前体液滴离开液滴制造器的速度，可以调整停留时间。
然后所述方法继续至步骤209以确定是否应该调整含锂颗粒的孔隙率。如果要调整孔隙率，则所述方法在步骤211中继续，控制均匀前体溶液中的硝酸盐材料和乙酸盐材料的量、控制溶液前体化学物质或控制液滴在微波产生的等离子体中的停留时间。如上所讨论的，在前体溶液中使用硝酸盐可以产生更多孔的含锂颗粒，而在前体溶液中使用乙酸盐可以产生更致密的含锂颗粒。应理解的是，可以在前体溶液中使用硝酸盐和乙酸盐的各种混合物和比例，以便使含锂颗粒具有期望的孔隙率。
然后所述方法继续至步骤213以确定是否应该调整含锂颗粒的粒度。如果要调整粒度，则所述方法在步骤215中继续，控制均匀前体溶液液滴的液滴尺寸或控制均匀前体溶液中的起始材料浓度。例如，如果液滴包括浓度增加的起始材料，则所得含锂颗粒将更大，因为一旦溶液中的液体蒸发，将有更大浓度的固体材料可用于形成颗粒。在一些实施方案中，通过产生具有不同尺寸的液滴的不同液滴流，可以按相同的方法流程产生各种粒度的含锂颗粒。
然后所述方法继续至步骤217，将液滴以期望参数引入微波产生的等离子体中，以产生调整的含锂颗粒。如上述参考图1所讨论的，一旦产生了调整的含锂颗粒，就可以将它们淬火和/或收集。
图4示出了根据示例性实施方案的使用微波产生的等离子体产生含锂颗粒311的系统300。在该示例性实施方案中，压电液滴制造器301产生具有可控液滴尺寸的含锂前体溶液的液滴303的流。如上所讨论的，每个液滴303具有精确可控的尺寸和起始材料的浓度，以生产期望的最终颗粒。微波辐射源307经由波导309提供微波辐射，以便在等离子体腔室305内产生等离子体。将液滴303的流轴向引入等离子体腔室305，并将每个液滴暴露于等离子体腔室305内基本均匀的温度分布。如上所讨论的，微波产生的等离子体生产含锂颗粒311，其离开等离子体腔室305并使用颗粒收集器313收集。
图5为根据示例性实施方案说明调整锂离子电池材料的系统的框图400。在该特定实施方案中，用户输入装置401可以接收来自用户的输入，其指示要产生的含锂颗粒的期望参数。例如，用户输入装置401可以接收指令以产生具有期望孔隙率、形态和粒度的NMC-532颗粒。控制器403可以从用户输入装置接收期望的颗粒参数，并且控制(例如，通过访问数据库或查找表，或执行与不同输入相关联的控制过程)系统的各种组件和前体。例如，控制器403可以接收一组期望的特性，并且可以为前体溶液选择一组合适的起始材料，以生产期望的颗粒。在一些情况下，控制器403可以确定基于价格的起始材料的类型、将使用的等离子体气体的类型、最终颗粒的期望孔隙率等。例如，控制器可以选择将在前体溶液中使用哪种类型的起始材料，以便限制总生产成本，增加颗粒密度或限制有毒副产物。在一些实施方案中，控制器403还可以计算前体溶液的期望比例和浓度，并控制溶液前体产生器405以产生期望的溶液。控制器403还可以计算期望的液滴尺寸并控制液滴制造器407以产生期望尺寸的液滴。在一些情况下，控制器403可以控制液滴制造器407，以便调节液滴离开液滴制造器407的速度。在一些实施方案中，控制器403可以控制等离子体气流发生器411，以便调节等离子体气体流速。在其他实施方案中，控制器403可以控制微波辐射源409，以便调节微波产生的等离子体的功率密度或温度。例如，可以控制微波辐射源409以产生约6,000K的基本均匀的温度分布。在一些实施方案中，可以根据下表1中所示的比例选择起始材料的量和比例。
Figure BDA0003760734140000131
Figure BDA0003760734140000141
表1
如表1中可以看出，产生NMC-33的前体溶液可以包括16.34mL硝酸锂、29.15mL硝酸镍、26.06mL硝酸锰和18.29mL硝酸钴的水溶液。表2中还提供了上述产生NMC-532、NMC-622和NMC-811的硝酸锂、硝酸镍、硝酸锰和硝酸钴的示例性前体溶液比例的列表。产生NMC-532的一个示例性前体溶液包括16.34mL硝酸锂、48.59mL硝酸镍、28.93mL硝酸锰和12.20mL硝酸钴的水溶液。产生NMC-622的示例性前体溶液包括16.34mL硝酸锂、58.31mL硝酸镍、17.37mL硝酸锰和12.20mL硝酸钴的水溶液。产生NMC-811的示例性前体溶液包括约16.34mL硝酸锂、约38.87mL硝酸镍、约2.89mL硝酸锰和约1.22mL硝酸钴的水溶液。
本技术的众多优点之一在于能够定制含锂电池材料的化学计量。通过改变相对比例、添加剂或前体中的一种或多种，可以调整材料的组成、纯度和/或相。另外，通过简单地改变溶液前体的化学计量，可以在单一商业平台上容易地制造超过一种组成(例如，NMC-532相对于NMC-622、LiMn2O4、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、LiMn1.5Ni0.5O4、LiCoO2、LiNiO2等)。进一步地，随着前体材料和/或添加剂的波动或控制，可以实现组分变化的梯度或层。本公开中所述方法的连续性允许阴极材料的逐层构建，以使得每层的化学组成可以在其整个厚度上变化，以利用任何期望材料的益处。作为连续方法还消除了在常规电池生产技术中发生的批次之间的变化。此外，该方法的简单性允许快速的材料发展和新材料配方(例如，广泛的NMC配方和/或掺杂剂的添加)益处的探索，这可能对于常规生产技术而言是不可能的或成本不划算的。
根据一些实施方案，图5中描述的系统或类似系统还可以用于产生核-壳结构，例如碳涂覆颗粒。其他涂层或壳，例如氧化铝涂层，也可以使用本文所述的技术生产。在其他实施方案中，可以将不同类型的电池材料涂覆或层积至衬底上，例如电池的集电器。这些材料可以沉积在具有期望厚度的离散层中，或作为连续渐变的涂层，其中涂层的材料组成在整个涂层厚度中逐渐变化。在一些实施方案中，可以通过控制初始前体溶液的组成来沉积这些不同的材料。
图6为根据本公开非优化实施方案制备的含锂颗粒的X射线衍射图案的图。该图对应于使用锂、镍、锰和钴盐的前体溶液在O2的等离子体气氛中产生LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2(NMC-532)的非优化方法。在该特定实施例中，前体溶液包括硝酸锂、硝酸镍、硝酸锰和硝酸钴的混合物。图6的图包括对应于NMC 532的结晶相的四个计算的X射线衍射光谱(XRD)峰501、503、505和507。即使在非优化方法中，所观察的图包括四个峰502、504、506和508，其基本上对应于参考峰501、503、505和507。
基本上达到了镍和钴的期望量，同时在该方法中损失了一定百分比的锂并且产生了少量过量的锰。损失的锂和过量锰可能解决方案可以是使用约66％的额外硝酸锂和略少量的硝酸锰来富集前体溶液，以便调整该方法来获得期望的NMC-532。如上所讨论的，可以全部控制等离子体的功率密度、淬火速率、淬火温度、停留时间等，以精调产生的颗粒。
图7示出了图6的示例性含锂颗粒的放大图像600。最终的含锂颗粒和最终颗粒的形态可以通过控制液滴在等离子体中的停留时间和/或优化前体溶液化学物质来调整。例如，通过增加在特定温度下的停留时间，可以减少或消除无定形相。
在另一个实施方案中，表2示出了使用硝酸盐负载溶液以制备NMC-333。在该特定实例中，表2的最右列示出了硝酸锂、硝酸镍、硝酸锰和硝酸钴的溶液量，以mL计。NMC-333的这些盐溶液的总和为97.94mL/mol或984g/L。
Figure BDA0003760734140000161
表2
根据示例性实施方案，本文所述的技术可以用于形成核-壳结构。在电池材料离开等离子体并淬火至目标粒度后，可以将壳材料涂覆在它们上面。在一些实施方案中，壳材料可以从液相或气相路线开始制备。通过气相路线进行的碳涂层的实例，可以通过使用混合有氧气的乙炔气体(C2H2)将碳沉积至电池材料的表面上来开始。为了制备碳，乙炔气体和氧气的混合物可以是贫氧的，例如使用2:1的乙炔与氧气的比例。在气体混合物离开等离子体并淬火后，可以将气体混合物引入含有流动的机载电池材料颗粒的反应器腔室中。电池材料颗粒、乙炔和氧气的混合物可以通过喷嘴引导，并且在喷嘴的出口处，电池材料和气体的流可以流过火焰或热源。热和氧气可以分解乙炔以形成碳，其中一些将在电池材料颗粒的表面上形成壳。通过控制各种参数，例如乙炔和氧气的浓度、每单位体积的电池材料颗粒、喷嘴尺寸和/或喷嘴出口速度，可以根据应用需要调整壳的厚度而不改变核电池材料颗粒的性质或形态。
在一些实施方案中，碳壳也可以由乙炔/氧气气体混合物通过引导淬火的电池材料流穿过或在乙炔/氧气火焰前面形成。当冷颗粒穿过或在火焰前面时，火焰内产生的碳可以沉积在颗粒表面上。通过控制每单位体积的电池材料数量、电池材料的速度、乙炔/氧气比、乙炔/氧气体积流量以及乙炔/氧气火焰的形态，可以将壳的厚度调整到目标规格。
在颗粒离开等离子体并且已经淬火至目标粒度之后，也可以使用液体前体将壳材料涂覆至电池材料颗粒上。例如，将诸如葡萄糖的单糖或诸如蔗糖的二糖的雾化薄雾溶解在无机溶剂(例如水)或有机溶剂(例如甲醇)中。如上所述，在颗粒离开等离子体并淬火后，可以使用雾化器将该溶液喷洒至颗粒上，以用含碳液体涂覆颗粒。然后，这些涂覆的颗粒可以进入约300℃至800℃的含氧热区。在热区内，有机或无机溶剂可以蒸发，在电池材料的表面上留下糖膜。随着糖的温度升高到其热解温度之上，碳留了下来并形成碳壳。在一些实施方案中，可以通过控制糖的类型及其在溶剂中的浓度、溶剂的类型、驱动溶液通过雾化器的压力、反应腔室内雾化器的取向、氧气浓度和热区内的温度来调节或调整碳壳的孔隙率和厚度。
非碳涂层，例如氧化铝(Al2O3)也可以使用液体前体以与上述碳涂层类似的方式制备。在一个示例性实施方案中，液体前体为含有溶解的铝前体(如明确定义浓度的硝酸铝)的无机溶剂(例如水)或有机溶剂(例如甲醇)。可以在等离子体后的反应器中使用雾化器将溶液喷洒至淬火的颗粒上，以用含硝酸铝的液体涂覆颗粒。然后，这些涂覆的颗粒可以进入约200℃至1000℃的含氧热区。在热区内，溶剂蒸发，在颗粒表面上留下硝酸铝膜。随着硝酸铝的温度升高到其热解温度之上，在电池材料颗粒的表面上形成无定形氧化铝。如果需要，在达到其结晶温度时，可以在约400℃至1000℃形成结晶氧化铝。在一些实施方案中，可以通过控制各种参数铝盐的类型、溶剂中铝盐的浓度、溶剂的类型、驱动溶液通过雾化器的压力、反应腔室内雾化器的取向、热区内的氧浓度和/或热区内的温度来调节或调整氧化铝壳的孔隙率和厚度。
在一些实施方案中，锂离子电池的性能可以通过阴极材料的配方来确定。例如，尖晶石锂锰氧化物(LiMn2O2)阴极材料允许高放电率但表现出相对低的能量密度，这对于其中电池可以随着可用能量耗尽而快速改变的电动工具是有益的。锂镍钴铝氧化物(NCA:LiNi0.8Co0.015Al0.05O2)阴极材料可以非常好的适用于高能量应用和中等放电率，如电动汽车。锂钴氧化物(LCO:LiCoO2)阴极材料具有允许更小/更轻的电池的高能量密度但是低放电率，因此可以非常好的适用于诸如手机和便携式计算机的应用。在渐变阴极电池内结合各种阴极材料组成可以允许具有更广泛应用的混合特性。在一些实施方案中，可以产生层状阴极，其中一种材料以离散界面沉积到另一种材料上。在其他实施方案中，可以生产连续可变的阴极，其中，在没有材料之间的离散界面的情况下，阴极的组成从一种材料连续过渡至下一种材料。
在另一个示例性实施方案中，多种前体水溶液可以由金属盐制成。每种前体溶液可以表现出不同的期望阴极材料的化学计量/组成，并且可以负载到与其自身的等离子体相关的其自己的液滴制造器中。例如，第一前体溶液可以含有乙酸锂和乙酸锰以制备尖晶石LMO。第二前体溶液可以含有乙酸锂、乙酸镍、乙酸钴和硝酸铝以制备NCA。第三前体溶液可以含有乙酸锂和乙酸钴以制备LCO。在一个示例性实施方案中，可以实施连续涂覆方法以将尖晶石LMO前体溶液进料至第一液滴制造器中，所述第一液滴制造器通过第一等离子体注入并沉积至集电器上，所述集电器例如可以由铝制成。在某些情况下，集电器可以向前移动并在等离子体下来回滑动，以便覆盖整个集电器。控制集电器的移动速率和模式和/或前体进料速率可以确定膜厚度。一旦沉积了期望厚度的尖晶石LMO，经涂覆的集电器就可以进入NCA沉积区，其中使用第二液滴制造器将NCA前体溶液注入第二等离子体中。随后，集电器就可以进入LCO沉积区，其中使用第三液滴制造器将LCO前体溶液注入第三等离子体中。在离开LCO涂层区域后，电池阴极可以准备安装在电池内。在一些实施方案中，通过调节前体进料速率和/或控制集电器的移动速率和模式，可以独立地控制每层的厚度。在一个示例性实施方案中，每层的期望厚度将为约34μm至100μm，组合厚度为约100μm至300μm。
在另一个实施方案中，可以使用单个液滴制造器和等离子体产生和沉积不同的涂层。例如，可以首先将集电器以尖晶石LMO层进行涂覆，然后可以用NCA前体溶液填充液滴制造器，以便在尖晶石LMO层的顶部沉积NCA层。随后，当将NCA层构建为期望的厚度时，可以用LCO前体溶液填充液滴制造器，并且继续该方法直到集电器涂覆有LCO层。在该示例性实施方案中，每层的厚度可以通过前体进料速率和集电器进料速率独立地控制。
在另一个示例性实施方案中，可以使用本文所述的技术生产连续渐变的阴极结构。例如，进入液滴制造器的前体溶液的组成可以在整个涂覆过程中连续变化，以便逐渐改变阴极涂层的组成。在一些实施方案中，这可以通过连续改变溶液前体化学物质利用一组组分液体前体来实现。在一个这样的实例中，集电器的阴极组成可以在阴极和电解质之间的界面处从LiMn1.5Ni0.5O4至LiMn2O4连续变化。三个单独的容器可以各自填充包括乙酸锂、乙酸锰或乙酸镍的单一组分金属盐。可以从三个单组分容器进料至第四混合容器，并且可以稳定地搅拌该第四混合容器以制备三种金属盐溶液的均匀溶液。混合容器可以首先用形成LiMn1.5Ni0.5O4所需的化学计量比的金属盐溶液填充。该溶液可以用于制备第一阴极层，其在集电器上的范围可为约1μm至50μm，具有明确定义的长度和宽度。在第一层沉积之后，通过以等摩尔量的乙酸锂前体和乙酸锰前体以与离开液滴制造器的摩尔流速相等的速率连续补充混合容器，可以使第四混合容器内的溶液体积保持恒定。通过不补充镍盐，在整个涂覆方法中，最终涂层中镍的浓度可以连续降低。在一些实施方案中，混合容器内的前体体积可以基于制造具有定义长度、宽度和厚度的阴极(或其他电池组件)所需的材料体积来确定。
在另外的实施方案中，不是将两种或更多种的不同的阴极材料沉积至单个衬底上，而是可以使用连续方法来沉积或构建阴极、阳极和固体电解质材料。例如，如上所述，在将一层或多层的阴极材料沉积至衬底上之后，阴极可以定位在等离子体下方，所述等离子体被配置成将固体电解质材料直接沉积在阴极层上。一旦构建了期望厚度的固体电解质材料，然后阴极/电解质层就可以定位在配置成沉积阳极材料的等离子体的下面。一旦沉积了阳极材料，就可以用粘合剂(例如苯乙烯丁二烯共聚物或聚偏氟乙烯)将集电器附着在阳极上。
此外，本申请还包括以下实施方案：
实施方案1.用于产生锂离子电池材料的方法，包括：
将起始材料组合以形成包含锂的均匀前体溶液；
使用液滴制造器产生所述均匀前体溶液的具有可控尺寸的液滴；
将所述均匀前体溶液的所述液滴引入微波产生的等离子体中；
从所述微波产生的等离子体中生产微米或亚微米尺度的含锂颗粒；
收集所述含锂颗粒；以及
形成具有所述含锂颗粒的浆料以形成锂离子电池材料。
实施方案2.如实施方案1所述的方法，其中收集所述含锂颗粒包括使所述含锂颗粒淬火，所述方法进一步包括：
通过选择淬火流体、控制淬火流体流速或控制淬火流体温度来控制所述含锂颗粒的淬火速率。
实施方案3.如实施方案1所述的方法，进一步包括：
使用所述液滴制造器控制所述均匀前体溶液的液滴的尺寸。
实施方案4.如实施方案1所述的方法，进一步包括：
通过控制等离子体气体流速、所述微波产生的等离子体的功率密度、或所述液滴离开所述液滴制造器的速度中的至少一种来控制所述均匀前体溶液的液滴在所述微波产生的等离子体中的停留时间。
实施方案5.如实施方案1所述的方法，其中所述均匀前体溶液包括乙酸锂、乙酸镍、乙酸锰和乙酸钴的水合形式或非水合形式的水溶液。
实施方案6.如实施方案1所述的方法，其中所述均匀前体溶液包括硝酸锂、硝酸镍、硝酸锰和硝酸钴的水溶液。
实施方案7.如实施方案1所述的方法，其中产生具有可控尺寸的液滴包括产生具有不同直径的液滴的两个或更多个流。
实施方案8.如实施方案1所述的方法，其中所述微波产生的等离子体在氧气或含氧气体中产生。
实施方案9.调整锂离子电池材料的方法，包括：
将起始材料组合以形成包含锂的均匀前体溶液；
使用液滴制造器产生所述均匀前体溶液的具有可控尺寸的液滴；
将所述均匀前体溶液的所述液滴引入微波产生的等离子体中；
从所述微波产生的等离子体中生产微米或亚微米尺度的含锂颗粒；
使所述含锂颗粒淬火；以及
通过控制前体溶液化学物质、液滴尺寸、等离子体气体流速、所述液滴在所述微波产生的等离子体中的停留时间、淬火速率、或所述微波产生的等离子体的功率密度中的至少一种，调整所述含锂颗粒的孔隙率、形态、粒度、粒度分布或化学组成中的至少一种。
实施方案10.如实施方案9所述的方法，其中调整所述含锂颗粒的形态包括控制所述液滴在所述微波产生的等离子体中和所述微波产生的等离子体的余辉区域中的停留时间。
实施方案11.如实施方案9所述的方法，其中控制锂离子颗粒的孔隙率包括控制所述均匀前体溶液中的硝酸盐材料和乙酸盐材料的量、溶液前体化学物质、或所述液滴在所述微波产生的等离子体中的停留时间中的至少一种。
实施方案12.如实施方案9所述的方法，其中控制所述含锂颗粒的化学组成包括控制所述前体溶液中起始材料的比例。
实施方案13.如实施方案9所述的方法，其中控制所述锂离子颗粒的粒度包括控制所述前体溶液的液滴的液滴尺寸、或控制所述前体溶液中的起始材料的浓度中的至少一种。
实施方案14.如实施方案9所述的方法，其中产生具有可控尺寸的液滴包括产生具有不同直径的液滴的两个或更多个流。
实施方案15.如实施方案14所述的方法，其中使用所述液滴制造器中的不同喷嘴或开口产生所述液滴的两个或更多个流。
实施方案16.如实施方案9所述的方法，其中调整所述锂离子颗粒的化学组成包括：
在形成所述均匀前体溶液之前确定所述锂离子颗粒的期望化学组成；以及
基于所述锂离子颗粒的期望化学组成计算起始材料的化学计量比例。
实施方案17.用于制备由下式表示的含锂颗粒的方法：
LiNixMnyCozO2
其中x≥0，y≥0，z≥0，并且x+y+z＝1；所述方法包括：
将锂盐、镍盐、锰盐以及钴盐的组合溶解在溶剂中，以形成均匀前体溶液；
使用液滴制造器产生所述均匀前体溶液的具有可控尺寸的液滴；
将所述液滴引入微波产生的等离子体中；
从所述微波产生的等离子体中生产微米或亚微米尺度的LiNixMnyCozO2颗粒；以及
收集所述LiNixMnyCozO2颗粒。
实施方案18.如实施方案17所述的方法，其中产生具有可控尺寸的液滴包括产生具有不同直径的液滴的两个或更多个流，以在所述LiNixMnyCozO2颗粒之间产生多重峰粒度分布。
实施方案19.用于制备由下式表示的含锂颗粒的方法：
LiNixCoyAlzO2
其中x＝～0.8，y＝～0.15，z＝～0.05；所述方法包括：
将锂盐、镍盐、钴盐以及铝盐的组合溶解在溶剂中，以形成均匀前体溶液；
使用液滴制造器产生所述均匀前体溶液的均匀尺寸的液滴；
将所述均匀尺寸的液滴引入微波产生的等离子体中；
从所述微波产生的等离子体生产微米或亚微米尺度的LiNixCoyAlzO2颗粒；以及
收集所述LiNixCoyAlzO2颗粒。
实施方案20.如实施方案19所述的方法，其中产生具有可控尺寸的液滴包括产生具有不同直径的液滴的两个或更多个流，以在所述LiNixCoyAlzO2颗粒之间产生多重峰粒度分布。
出于说明的目的，本文提供了示例性流程图且其为方法的非限制性示例。本领域普通技术人员将认识到，示例性方法可以包括比示例性流程图中示出的方法更多或更少的步骤，并且示例性流程图中的步骤可以以与示例性流程图中示出的顺序不同的顺序进行。
在描述示例性实施方案时，为了清楚起见，使用了特定术语。出于描述的目的，每个特定术语旨在至少包括以类似方式操作以实现类似目的的所有技术和功能等同物。另外，在特定示例性实施方案包括多个系统元件、装置组件或方法步骤的一些情况下，那些元件、组件或步骤可以用单个元件、组件或步骤代替。同样地，单个元件、组件或步骤可以用具有相同目的的多个元件、组件或步骤代替。此外，虽然已经参考特定实施方案示出并描述了示例性实施方案，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种替换和改变。进一步地，其他方面、功能和优点也在本发明的范围内。

Claims (10)

1.用于产生锂离子电池材料的方法，包括：
将起始材料组合以形成包含锂的均匀前体溶液；
使用液滴制造器产生所述均匀前体溶液的具有可控尺寸的液滴；
将所述均匀前体溶液的所述液滴引入微波产生的等离子体中；
从所述微波产生的等离子体中生产微米或亚微米尺度的含锂颗粒；
收集所述含锂颗粒；以及
形成具有所述含锂颗粒的浆料以形成锂离子电池材料。
2.如权利要求1所述的方法，其中收集所述含锂颗粒包括使所述含锂颗粒淬火，所述方法进一步包括：
通过选择淬火流体、控制淬火流体流速或控制淬火流体温度来控制所述含锂颗粒的淬火速率。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
使用所述液滴制造器控制所述均匀前体溶液的液滴的尺寸。
4.调整锂离子电池材料的方法，包括：
将起始材料组合以形成包含锂的均匀前体溶液；
使用液滴制造器产生所述均匀前体溶液的具有可控尺寸的液滴；
将所述均匀前体溶液的所述液滴引入微波产生的等离子体中；
从所述微波产生的等离子体中生产微米或亚微米尺度的含锂颗粒；
使所述含锂颗粒淬火；以及
通过控制前体溶液化学物质、液滴尺寸、等离子体气体流速、所述液滴在所述微波产生的等离子体中的停留时间、淬火速率、或所述微波产生的等离子体的功率密度中的至少一种，调整所述含锂颗粒的孔隙率、形态、粒度、粒度分布或化学组成中的至少一种。
5.如权利要求4所述的方法，其中调整所述含锂颗粒的形态包括控制所述液滴在所述微波产生的等离子体中和所述微波产生的等离子体的余辉区域中的停留时间。
6.如权利要求4所述的方法，其中控制锂离子颗粒的孔隙率包括控制所述均匀前体溶液中的硝酸盐材料和乙酸盐材料的量、溶液前体化学物质、或所述液滴在所述微波产生的等离子体中的停留时间中的至少一种。
7.用于制备由下式表示的含锂颗粒的方法：
LiNixMnyCozO2
其中x≥0，y≥0，z≥0，并且x+y+z＝1；所述方法包括：
将锂盐、镍盐、锰盐以及钴盐的组合溶解在溶剂中，以形成均匀前体溶液；
使用液滴制造器产生所述均匀前体溶液的具有可控尺寸的液滴；
将所述液滴引入微波产生的等离子体中；
从所述微波产生的等离子体中生产微米或亚微米尺度的LiNixMnyCozO2颗粒；以及
收集所述LiNixMnyCozO2颗粒。
8.如权利要求7所述的方法，其中产生具有可控尺寸的液滴包括产生具有不同直径的液滴的两个或更多个流，以在所述LiNixMnyCozO2颗粒之间产生多重峰粒度分布。
9.用于制备由下式表示的含锂颗粒的方法：
LiNixCoyAlzO2
其中x＝～0.8，y＝～0.15，z＝～0.05；所述方法包括：
将锂盐、镍盐、钴盐以及铝盐的组合溶解在溶剂中，以形成均匀前体溶液；
使用液滴制造器产生所述均匀前体溶液的均匀尺寸的液滴；
将所述均匀尺寸的液滴引入微波产生的等离子体中；
从所述微波产生的等离子体生产微米或亚微米尺度的LiNixCoyAlzO2颗粒；以及
收集所述LiNixCoyAlzO2颗粒。
10.如权利要求9所述的方法，其中产生具有可控尺寸的液滴包括产生具有不同直径的液滴的两个或更多个流，以在所述LiNixCoyAlzO2颗粒之间产生多重峰粒度分布。
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