CN1297020C - 锂离子电池正极材料的焙烧工艺及焙烧设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池正极材料的焙烧工艺和设备，该工艺是将相应的原料进行前期处理后，将物料混合均匀置于可使气氛流动并可调节流速、流量的焙烧炉中进行反应焙烧结晶，从而制备具有反应均匀、高结晶品质、孔隙均匀、比表面积小、视比重大、电化学性能稳定等优点的锂离子电池正极材料，并且该焙烧工艺和设备简单、能耗低。

Description

锂离子电池正极材料的焙烧 工艺及焙烧设备
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池正极材料焙烧工艺和设备。
背景技术
锂离子电池是指以不同的嵌锂化合物为正负极的二次电池，一般采用钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂及它们的改性化合物作为正极，采用锂插入碳化合物作为负极，以溶解有锂盐的有机溶液为电解质组成电池。在充放电过程中，Li+在两极之间往返嵌入和脱嵌实现电池的充放电。锂离子电池工作电压高、能量密度大、安全性能奸、自放电小、可快速充放电、可做成大容量电池组，而且是无记忆效应电池。随着现代电器微型化，高能化的需要，重量轻、体积小、高比能、高电压、低污染的锂离子电池将成办公、通讯、电脑、摄像机及电动汽车等的良好电源。由于锂离子电池优异的充放电可逆性能和安全性，在电池市场上具有潜在的优势竞争力，使得世界各国都在争相开发研究。
在锂离子电池的普及和应用过程中，电池的性能和价格是决定因素，而制备性能优越、价格便宜的嵌锂化合物为正极材料是其中的关键。
合成正极材料的方法有固相法和液相法。高温固相合成是将锂、过渡金属元素的碳酸盐、硝酸盐、醋酸盐、氧化物或氢氧化物等原料混合后在空气中进行长时间和多阶段加热。低温固相合成法则是将锂和过渡金属元素的原料在不同气氛或有机溶剂中长时间研磨，然后仍需在一定温度长时间加热。液相合成法多采用溶胶凝胶法。该法的关键是选择适当的分散剂溶液和控制合适的pH值，将物料形成凝胶，然后通过各种方法除去有机物和水份，最后在较高温度焙烧。另为还有熔盐浸渍法、Pechini法、共沉淀法、低温半固相法等。这些不同的合成方法，基本都需在前期处理后，经过焙烧结晶过程而最终得到的正极材料产品。通常采用的焙烧工艺和设备能耗高，反应物混合不均匀，产物形貌不规则，结晶品质差，电化学性能不稳定。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种锂离子电池正极材料的焙烧工艺，该工艺在焙烧过程中利用结晶学原理和空气动力学原理，在原料静止焙烧结晶过程中，通过控制阀板方便的实现焙烧气氛的流动，并可调其流速、流量，而且通过气体的流动，强化焙烧炉内对流传热，从而加强焙烧气体与焙烧物料的接触与扩散，并使得焙烧炉内温度均匀，这样获得反应均匀、高结晶品质、孔隙均匀、表面积小、视比重大、电化学性能稳定的锂离子电池正极材料产品。
本发明的另一目的是为了提供一种高品质锂离子电池正极材料的焙烧设备。该设备通过控制阀板方便的实现焙烧气氛的流动，并可调其流速、流量，而且通过气体的流动，强化焙烧炉内对流传热，从而加强焙烧气体与焙烧物料的接触与扩散，并使得焙烧炉内温度均匀，这样获得反应均匀、高结晶品质、孔隙均匀、表面积小、视比重大、电化学性能稳定的锂离子电池正极材料产品。
本发明的目的可通过如下措施来实现：
一种锂离子电池正极材料的焙烧工艺，包括下述步骤：
(1)取锂离子电池正极材料，其分子结构式为LiMxN1-xO2或LiMxMn2-xO4，分子结构式LiMxN1-xO2中M、N选自Co、Ni、Mn、Cr、V过渡金属元素中的任一种，X为0≤X＜0.8；分子结构式LiMxMn2-xO4中的M选自Co、Ni、Mn、Cr、V、Al任一种，X为0≤X＜0.4；将上述锂离子电池正极材料置于焙烧炉内，对其进行焙烧；
(2)所述的锂离子电池正极材料的盛料盘在焙烧炉内呈之字形排列；
(3)通过调节炉内空气流量和流速，使得焙烧炉内的空气更新量为每小时1/10-1/2炉腔体积。
所述的进行焙烧时的锂离子电池正极材料的细度为-200目——-1000目，装入盛料盘的料层厚度为2-10cm。
所述的焙烧炉焙烧物料进行空气更新前还包括下述步骤：物料在焙烧炉中先升温，然后保温，再进行炉内空气更新并升温至最终焙烧温度。
所述的焙烧炉是通过烟囱形成的压差来引起炉内空气的对流。
本发明的另一目的还可通过如下措施来实现：
一种高品质锂离子电池正极材料的焙烧设备，包括焙烧炉；在焙烧炉内设盛料盘，盛料盘成之字形排列；在焙烧炉的上部设空气引入口；在焙烧炉的下部设空气引出口，所述的空气引出口与烟囱相连。
在所述的空气引入口、空气引出口处均没有阀板。
本发明相比现有技术具有如下优点：
1、本发明在焙烧过程中利用结晶学原理和空气动力学原理，在原料静止焙烧结晶过程中，通过控制阀板方便的实现焙烧气氛的流动，并可调其流速、流量，而且通过气体的流动，强化焙烧炉内对流传热，从而加强焙烧气体与焙烧物料的接触与扩散，并使得焙烧炉内温度均匀，这样获得反应均匀、高结晶品质、孔隙均匀、表面积小、视比重大、电化学性能稳定的锂离子电池正极材料产品。
2、本发明的设备简单、实用、投资小，低能耗，易于实现锂离子电池正极材料规模化工业生产。
附图说明
图1为本发明焙烧炉的结构示意图
1-焙烧炉    2-盛料盘    3-空气引入口
4-空气引出口    5-阀板
具体的实施方式
实施例：
参照图1，一种制备锂离子电池正极材料LiCo0.1Mn1.9O4的方法：将34.73kg一水氢氧化锂、20.62Kg四水醋酸钴和180.78Kg碳酸锰混合均匀，喷加入10L乙二醇和水的混合溶液，其中乙二醇和水的摩尔比为1∶25。在混合过程中将PH值调节至大于7，并边混合边缓慢加入50L浓度为10％的过氧化氢水溶液。将上述物料充分混合均匀后，在260℃下将水份及乙二醇除尽。取出烘干后的物料在球磨机中研磨至-325目，然后铺摊于六只高温不锈钢制料盘中，料层厚度为5cm，将盘推入1m*0.5m*0.8m的焙烧炉中，先关闭空气引入口和引出口阀板，升温至490℃，保温10小时，打开空气引入口和引出口阀板调节阀板控制炉内的空气流入量为0.005m3/h，再以100℃/h的升温速度升温至890℃，焙烧结晶6小时之后关闭空气引入、引出阀门，进行降温，炉温＞500℃时降温速度小于50℃/h，之后料随炉冷却。所得黑色粉末锂离子电池正极材料LiCo0.1Mn1.9O4为反应均匀，结晶品质优良，视比重大，产品中Li含量3.8％，Co含量3.2％，Mn含量57.6％，比容量为115mAh/g，充放电循环50次充放效率仍达97.0％。

Claims (6)

1、一种锂离子电池正极材料的焙烧工艺，包括下述步骤：
(1)取锂离子电池正极材料，其分子结构式为LiMxN1-xO2或LiMxMn2-xO4，分子结构式LiMxN1-xO2中M、N选自Co、Ni、Mn、Cr、V过渡金属元素中的任一种，X为0≤X＜0.8；分子结构式LiMxMn2-xO4中的M选自Co、Ni、Mn、Cr、V、Al任一种，X为0≤X＜0.4；将上述锂离子电池正极材料置于焙烧炉内，对其进行焙烧；
(2)所述的锂离子电池正极材料的盛料盘在焙烧炉内呈之字形排列；
(3)通过调节炉内空气流量和流速，使得焙烧炉内的空气更新量为每小时1/10-1/2炉腔体积。
2、如权利要求1所述的锂离子电池正极材料的焙烧工艺，其特征在于所述的进行焙烧时的锂离子电池正极材料的细度为-200目--1000目，装入盛料盘的料层厚度为2-10cm。
3、如权利要求1所述的锂离子电池正极材料的焙烧工艺，其特征在于焙烧炉焙烧物料进行空气更新前还包括下述步骤：物料在焙烧炉中先升温，然后保温，再进行炉内空气更新并升温至最终焙烧温度。
4、如权利要求1所述的锂离子电池正极材料的焙烧工艺，其特征在于所述的焙烧炉是通过烟囱形成的压差来引起炉内空气的对流。
5、一种锂离子电池正极材料的焙烧设备，包括焙烧炉(1)；其特征在于在焙烧炉(1)内设盛料盘(2)，盛料盘(2)成之字形排列；在焙烧炉的上部设空气引入口(3)；在焙烧炉(1)的下部设空气引出口(4)，所述的空气引出口(4)与烟囱相连。
6、如权利要求5所述的锂离子电池正极材料的焙烧设备，其特征在于在所述的空气引入口(3)、空气引出口(4)处均设有阀板(5)。
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