DE102022117903A1

DE102022117903A1 - Herstellungsvorrichtung für ein kathodenaktivmaterial für lithiumionen-sekundärbatterien, und verfahren zur herstellung eines kathodenaktivmaterials für lithiumionen-sekundärbatterien

Info

Publication number: DE102022117903A1
Application number: DE102022117903.6A
Authority: DE
Inventors: Tomohiro YOKOYAMA
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-08-02
Filing date: 2022-07-18
Publication date: 2023-02-02
Also published as: US20230032411A1; CN115701666A; KR20230019776A; JP2023021635A

Abstract

Es wird eine Herstellungsvorrichtung für ein Kathodenaktivmaterial für Lithiumionen-Sekundärbatterien bereitgestellt, die es ermöglicht, die Produktivität zu verbessern. Die Herstellungsvorrichtung für ein Kathodenaktivmaterial für Lithiumionen-Sekundärbatterien umfasst: eine Fördervorrichtung, die ein Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial fördert, das eine Metallverbindung und eine Lithiumverbindung enthält, wobei die Metallverbindung mindestens ein Metallelement ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kobalt und Mangan enthält, und eine Heizeinheit, die konfiguriert ist, um das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial zu erhitzen, wobei die Heizeinheit mindestens eine Heizkomponente aufweist, die konfiguriert ist, um das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial durch Wärmeleitung zu erhitzen.

Description

GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Herstellungsvorrichtung für ein Kathodenaktivmaterial für Lithiumionen-Sekundärbatterien und ein Verfahren zur Herstellung eines Kathodenaktivmaterials für Lithiumionen-Sekundärbatterien.
HINTERGRUND
Lithiumionen-Sekundärbatterien sind als Energiequellen weit verbreitet für zum Beispiel Laptops und tragbare Endgeräte sowie für den Antrieb von Fahrzeugen. Deshalb ist es notwendig die Produktivität von Lithiumionen-Sekundärbatterien und von Kathodenaktivmaterialien, die für Lithiumionen-Sekundärbatterien verwendet werden sollen, zu verbessern.
Ein allgemeines Verfahren zur Herstellung eines Kathodenaktivmaterials für Lithiumionen-Sekundärbatterien verläuft wie folgt. Zunächst wird Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial durch Mischen eines Metallhydroxids, das Nickel oder dergleichen enthält, und einer Lithiumverbindung (wie etwa Lithiumhydroxid und Lithiumcarbonat), die ein Vorläufer sein sollen, erhalten. Als nächstes wird das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial durch Kalzinierung oxidiert. Insbesondere wird das Metallhydroxid zu einem Metalloxid und die Lithiumverbindung zu Lithiumoxid oxidiert. Anschließend wird eine vorbestimmte Brennkapsel mit dem kalzinierten Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial befüllt und das Rohmaterial gebrannt. Durch die Reaktion zwischen dem Metalloxid und dem Lithiumoxid im Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial, die durch das Brennen bewirkt wird, wird ein Lithiummetalloxid erhalten, welches das Kathodenaktivmaterial ist. Das erhaltene Kathodenaktivmaterial wird zurückgewonnen und für Lithiumionen-Sekundärbatterien genutzt. Ein solches Verfahren zur Herstellung eines Kathodenaktivmaterials wird zum Beispiel in Patentliteratur 1 bis 3 offenbart.
Im Kalzinierungsschritt des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials wird eine Brennvorrichtung wie ein Drehofen verwendet. Ein Drehofen ist eine Vorrichtung, die es ermöglicht ein Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial unter einer oxidierenden Atmosphäre zu rühren und gleichzeitig zu erhitzen und es ermöglicht die Oxidation des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials zu fördern. Der Grund für das Kalzinieren des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials liegt darin, Temperaturunregelmäßigkeiten im Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial aufgrund der endothermen Oxidationsreaktion zwischen dem Metallhydroxid und der Lithiumverbindung zu verhindern.
Zum Brennen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials wird eine Brennvorrichtung wie ein Rollen- bzw. Walzenherdofen verwendet. Der Walzenherdofen ermöglicht die Erhitzung des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials bei einer höheren Temperatur als in einem Brennschritt und ermöglicht die Herstellung des Kathodenaktivmaterials durch die Reaktion zwischen dem Metalloxid und dem Lithiumoxid im Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial. Bei der Befüllung der Kapsel mit dem Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial kann Druck zur Verdichtung des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials ausgeübt werden. Die Verdichtung des Kathodenaktivmaterial-Rohmateriales erlaubt es, die Kontaktfläche zwischen dem Metalloxid und dem Lithiumoxid im Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial zu vergrößern und das Brennen zu fördern.
LITERATURLISTE
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP 2020-113429 A
Patentliteratur 2: JP 2019-175694 A
Patentliteratur 3: JP 2020-198195 A

ZUSAMMENFASSUNG
Technische Aufgabe
Ein Drehofen ist eine Vorrichtung zum Oxidieren von Metallhydroxiden und/oder Lithiumverbindungen. Daher ist es notwendig, einem Drehofen aktiv Luft oder Sauerstoff zuzuführen um im Innere des Drehofens eine oxidierende Atmosphäre herzustellen. Die Notwendigkeit der aktiven Zufuhr von Luft oder Sauerstoff in einen Drehofen führt zu höheren Produktionskosten.
Ein Walzenherdofen ist eine Vorrichtung zum Brennen des kalzinierten Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials. Zur gleichmäßigen Erhitzung ist es notwendig, eine Kapsel mit dem Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial zu füllen. Entsprechend der Art des Heißluftstroms im Gerät kommt es jedoch leicht zu Temperaturunregelmäßigkeiten im Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial. Kurzzeitiges Erhitzen unter Bedingungen, bei denen Temperaturunregelmä-ßigkeiten im Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial auftreten, führt zu Schwankungen in der Kristallinität des hergestellten Kathodenaktivmaterials. Deshalb ist es notwendig, das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial eine lange Zeit zu erhitzen, um Temperaturunregelmäßigkeiten zu unterdrücken, wenn das Kathodenaktivmaterial mit einem Walzenherdofen hergestellt wird. Dies führt jedoch zu einer Erhöhung der Produktionskosten. Die Notwendigkeit einer langfristigen Erhitzung erfordert zudem oft größere Anlagen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ist es, eine Herstellungsvorrichtung für ein Kathodenaktivmaterial für Lithiumionen-Sekundärbatterien und ein Verfahren zur Herstellung eines Kathodenaktivmaterials für Lithiumionen-Sekundärbatterien bereitzustellen, das eine Verbesserung der Produktivität ermöglicht.
Lösung der Aufgabe
Als ein Mittel zur Lösung der obigen Aufgabe stellt die vorliegende Offenbarung eine Herstellungsvorrichtung für ein Kathodenaktivmaterial für Lithiumionen-Sekundärbatterien bereit, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Fördervorrichtung, die ein Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial fördert, das eine Metallverbindung und eine Lithiumverbindung enthält, wobei die Metallverbindung mindestens ein Metallelement ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kobalt und Mangan enthält, und eine Heizeinheit, die konfiguriert ist, um das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial zu erhitzen, wobei die Heizeinheit mindestens eine Heizkomponente aufweist, die konfiguriert ist, um das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial durch Wärmeleitung zu erhitzen.
In der Herstellungsvorrichtung kann die Heizkomponente eine Heizwalze sein. Die Heizkomponenten können mehrere Heizwalzen sein, wobei einige der Heizwalzen konfiguriert sind, um eine Oberfläche des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials zu erhitzen, und die übrigen Heizwalzen, die konfiguriert sind, um eine anderen Oberfläche des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials zu erhitzen, abwechselnd von einer stromaufwärts gelegenen bzw. stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärts gelegenen bzw. stromabwärtigen Seite in einer Förderrichtung angeordnet sein können, und beliebige benachbarte zwei der Heizwalzen einander gegenüberliegend angeordnet sein können, um das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial dazwischen zu halten. Des Weiteren kann ein Umschlingungswinkel der Heizwalze bzw. der Heizwalzen 10° bis 180° betragen.
In der Herstellungsvorrichtung kann das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial in der Heizeinheit auf 700°C bis 1000°C erhitzt werden. In der Heizeinheit kann das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial unter einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt werden.
In der Herstellungsvorrichtung kann die Fördervorrichtung eine Förderkomponente aus einer porösen, hitzebeständigen Komponente aufweisen, und das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial kann mit der Heizkomponente über die poröse, hitzebeständige Komponente erhitzt werden.
Die Herstellungsvorrichtung kann des Weiteren umfassen: eine Formungskomponente, die konfiguriert ist, um das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial zu einem Blatt zu formen, wobei sich die Formungskomponente in der Förderrichtung auf der stromaufwärtigen Seite der Heizeinheit befindet. Die Herstellungsvorrichtung kann des Weiteren umfassen: ein Gewinnungsteil, das konfiguriert ist, um ein in der Heizeinheit erhaltenes Kathodenaktivmaterial zu gewinnen.
Als ein Mittel zur Lösung der obigen Aufgabe stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Kathodenaktivmaterials für Lithiumionen-Sekundärbatterien bereit, wobei das Verfahren umfasst: Vorbereiten eines Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials durch Mischen einer Metallverbindung und einer Lithiumverbindung, wobei die Metallverbindung mindestens ein Metallelement ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kobalt und Mangan enthält, und Erhalten des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials, und Erhitzen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials, wobei das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial beim Erhitzen durch Wärmeleitung erhitzt wird.
In dem Verfahren kann das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial beim Erhitzen gleichzeitig gefördert und erhitzt werden. Beim Erhitzen können beide Oberflächen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials erhitzt werden oder es kann jede Oberfläche des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials abwechselnd erhitzt werden. Des Weiteren kann das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial beim Erhitzen mit Hilfe einer Heizwalze mit einem Umschlingungswinkel von 10° bis 180° erhitzt werden.
In dem Verfahren kann beim Erhitzen das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial auf 700°C bis 1000°C erhitzt werden. Das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial kann beim Erhitzen unter einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt werden. Des Weiteren kann das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial beim Erhitzen über eine poröse, hitzebeständige Komponente erhitzt werden.
Das Verfahren kann des Weiteren umfassen: Formen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials vor dem Erhitzen zu einem Blatt. Das Verfahren kann des Weiteren umfassen: Gewinnen eines beim Erhitzen erhaltenen Kathodenaktivmaterials.
Vorteilhafte Effekte
Ein herkömmlich verwendeter Walzenherdofen dient dazu, Luft darin zu erhitzen und anschließend ein Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial zu erhitzen. Das heißt, ein Walzenherdofen erhitzt ein Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial durch konvektives Heizen. Konvektives Heizen benötigt langfristiges Brennen, da durch die oben beschriebene Art der Heißluftströmung im Ofen leicht problematische Temperaturunregelmäßigkeiten im Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial auftreten.
Im Gegensatz dazu wird in der vorliegenden Offenbarung Kontaktheizen, bei der das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial durch Wärmeleitung erhitzt wird, angewendet. Merkmale des Kontaktheizens sind effizientes Erhitzen eines Kontaktabschnitts und geringe Temperaturunregelmäßigkeiten im Kontaktabschnitt (die thermische Gleichmäßigkeit des Kontaktabschnitts hoch ist). Deshalb kann gemäß der vorliegenden Offenbarung dort, wo Kontaktheizen angewendet wird, die Brennzeit des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials verkürzt und Schwankungen in der Kristallinität verringert werden. Zusätzlich kann gemäß der vorliegenden Offenbarung das Kathodenaktivmaterial durch Brennen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials mit einer einzigen Heizeinheit (Heizschritt) erhalten werden, was sich von einer herkömmlichen Vorrichtung oder einem herkömmlichen Verfahren unterscheidet. Deshalb kann gemäß der vorliegenden Offenbarung die Produktivität des Kathodenaktivmaterials verbessert werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht einer Herstellungsvorrichtung 100 für ein Kathodenaktivmaterial für Lithiumionen-Sekundärbatterien;
2 zeigt anschaulich einen Umschlingungswinkel x;
3 ist eine vergrößerte Ansicht von Heizwalzen 31;
4 ist eine schematische Ansicht einer Herstellungsvorrichtung 200 für ein Kathodenaktivmaterial für Lithiumionen-Sekundärbatterien,
5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Kathodenaktivmaterials für Lithiumionen-Sekundärbatterien 1000,
6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Kathodenaktivmaterials für Lithiumionen-Sekundärbatterien 2000, und
7 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Kathodenaktivmaterials für Lithiumionen-Sekundärbatterien 3000.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
[Herstellungsvorrichtung für ein Kathodenaktivmaterial für Lithiumionen-Sekundärbatterien]
Eine Herstellungsvorrichtung für ein Kathodenaktivmaterial für Lithiumionen-Sekundärbatterien gemäß der vorliegenden Offenbarung wird unter Bezugnahme auf eine Herstellungsvorrichtung 100 für ein Kathodenaktivmaterial für Lithiumionen-Sekundärbatterien beschrieben, die eine Ausführungsform darstellt (kann in dieser Beschreibung als „Herstellungsvorrichtung 100“ bezeichnet werden). 1 zeigt eine schematische Ansicht der Herstellungsvorrichtung 100. Dabei ist in 1 die Rechts-Links-Richtung als Förderrichtung, die Oben-Unten-Richtung als Höhenrichtung und die Hinten-Vorne-Richtung als Breitenrichtung definiert.
Wie in 1 gezeigt, ist die Herstellungsvorrichtung 100 mit einer Fördervorrichtung 10, einer Formungskomponente 20, einer Heizeinheit 30 und einem Gewinnungsteil 40 versehen. 1 zeigt ebenfalls ein Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1, das ein Rohmaterial ist, und ein Kathodenaktivmaterial 2, das ein Produkt ist.
<Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1>
Das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 enthält eine Metallverbindung und eine Lithiumverbindung, und kann außerdem ein recyceltes Material wie etwa das Kathodenaktivmaterial 2 in einem verschlechterten und zerkleinerten Zustand enthalten. Das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 kann mit hoher thermischer Gleichmäßigkeit in der Heizeinheit 30 gebrannt werden, auch wenn es das verschlechterte Kathodenaktivmaterial 2 enthält.
Das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 kann durch Mischen dieser Materialien erhalten werden. Die Art des Mischens ist nicht besonders beschränkt und es kann eine bekanntes Verfahren dafür angewendet werden. Zum Beispiel können diese Materialien mit einem Mörser oder einem Mixer gemischt werden.
(Metallverbindung)
Die Metallverbindung enthält mindestens ein Metallelement, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kobalt und Mangan. Die Metallverbindung kann Nickel enthalten, kann Nickel und Kobalt enthalten, oder kann Nickel, Kobalt und Mangan enthalten. Die Metallverbindung kann des Weiteren j ede(s) andere Metallelement(e) enthalten. Zum Beispiel kann die Metallverbindung des Weiteren Aluminium enthalten. Die Metallverbindung kann Aluminium anstelle von Mangan enthalten.
Das molare Verhältnis der Metallelemente der Metallverbindung kann zum Beispiel wie folgt sein. Ni:Co:Mn = x:y:z (x = 1 - y - z, 0 ≤ y < 1 und 0 ≤ z < 1) oder Ni:Co:Al = x:y:z (x = 1 - y - z, 0 ≤ y < 1 und 0 ≤ z < 1).
Die Metallverbindung kann ein Metallhydroxid, ein Metalloxid, ein Metallcarbonat oder ein Metallperhydroxid sein. Diese Metallverbindungen können allein oder in Kombination verwendet werden. Die Metallverbindung ist vorzugsweise ein Metallhydroxid oder ein Metalloxid.
Als das Metallhydroxid kann jedes bekannte Metallhydroxid verwendet werden, das mindestens ein Metallelement, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kobalt und Mangan, enthält, und Beispiele hierfür umfassen Ni_xCo_yMn_z(OH)_2+α (x = 1 - y - z, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1 und 0 ≤ α < 1) und Ni_xC_yAl_z(OH)_2+α (x = 1 - y - z, 0 ≤ y < 1,0 ≤ z < 1 und 0 ≤ α < 1). Als das Metalloxid kann jedes bekannte Metalloxid verwendet werden, das mindestens ein Metallelement, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kobalt und Mangan, enthält, und Beispiele hierfür umfassen Ni_xCo_yMn_z(O)_2+α (x = 1 - y - z, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1 und - 1 ≤ α < 0) und Ni_xCo_yAl_z(O)_2+α (x = 1 - y - z, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1 und -1 ≤ α < 0).
Die Metallverbindung kann nach einem bekannten Verfahren vorbereitet werden. Das Folgende ist ein Beispiel für ein Verfahren zum Vorbereiten des Metallhydroxids und ein Beispiel für ein Verfahren zum Vorbereiten des Metalloxids. Das Verfahren zum Vorbereiten der Metallverbindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Ein Beispiel für ein Verfahren zum Vorbereiten des Metallhydroxids ist Kristallisation. Nachfolgend wird ein Beispiel für ein Verfahren zum Vorbereiten des Metallhydroxids durch Kristallisation beschrieben.
Zunächst wird eine Metallquellenlösung vorbereitet, indem eine Ni-Quelle, eine Co-Quelle und eine Mn-Quelle (oder eine Al-Quelle) in einem wässrigen Lösungsmittel (z.B. ionenausgetauschtes Wasser) gelöst werden. Als die Metallquelle kann ein Metallsalz von jedem Metallelement (d.h. ein Ni-Salz, ein Co-Salz und ein Mn-Salz (oder ein Al-Salz)) verwendet werden. Die Art des Metallsalzes ist nicht besonders beschränkt und es können alle bekannten Metallsalze wie ein Hydrochlorid, ein Sulfat, ein Nitrat, ein Carbonat und ein Hydroxid verwendet werden. Diese Metallquellen werden dem wässrigen Lösungsmittel in keiner bestimmten Reihenfolge zugeführt. Die wässrigen Lösungen der Metallquellen können auch getrennt vorbereitet und anschließend gemischt werden. Das Verhältnis der Metallquellen wird in geeigneter Weise so eingestellt, dass ein gewünschtes Metallhydroxid erhalten werden kann.
Als nächstes werden die Metallquellenlösung und eine wässrige NH₃-Lösung unter einer inerten Atmosphäre in eine wässrige, alkalische Lösung getropft, während die wässrige, alkalische Lösung gerührt wird. Als die wässrige, alkalische Lösung kann zum Beispiel wässriges Natriumhydroxid verwendet werden. Der pH-Wert der wässrigen, alkalischen Lösung wird zum Beispiel auf 11 bis 13 eingestellt. Die wässrige NH₃-Lösung wird getropft, wobei die Konzentration davon in einem Bereich von zum Beispiel 5 g/L bis 15 g/L gehalten wird. Wenn die Metallquellenlösung und die wässrige NH₃-Lösung in die wässrige, alkalische Lösung getropft werden, sinkt der pH-Wert der resultierenden Lösung allmählich. So kann zusätzlich eine wässrige, alkalische Lösung auf geeignete Weise zugetropft werden und der pH-Wert in einem vorbestimmten Bereich gehalten werden.
Nach Ablauf einer bestimmten Zeitperiode wird das Ergebnis einer Vakuumfiltration unterzogen, und die Ablagerung wird gewonnen. Das Metallhydroxid wird durch Waschen und Trocknen der erhaltenen Ablagerung erhalten. Die Ablagerung kann mehrmals gewaschen werden. Die Ablagerung kann durch Luft oder durch Erhitzen getrocknet werden. Die Ablagerung kann durch Erhitzen bei zum Beispiel 120 bis 180 °C getrocknet werden.
Das Metalloxid kann zum Beispiel vorbereitet werden, indem das Metallhydroxid oxidierendem Rösten unterzogen wird. Oxidierendes Rösten bedeutet hier, dass das Metallhydroxid unter einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt wird. Die Erhitzungstemperatur ist nicht besonders beschränkt, solange das Metallhydroxid dabei in das Metalloxid umgewandelt werden kann und beträgt zum Beispiel 700°C bis 800°C. Die Erhitzungszeit ist nicht besonders beschränkt, solange dabei das Metallhydroxid in das Metalloxid umgewandelt werden kann und beträgt zum Beispiel 0,5 bis 3 Stunden. Derartiges Erhitzen kann mit einem Brenngerät wie zum Beispiel einem Drehofen durchgeführt werden.
Der mittlere Teilchendurchmesser der Metallverbindung ist nicht besonders begrenzt und liegt zum Beispiel im Bereich von 1 µm bis 1 mm. In dieser Beschreibung ist der „mittlere Partikeldurchmesser“ ein Median-Durchmesser, das heißt ein Partikeldurchmesser bei dem integrierten Wert von 50 % in der volumenbasierten Partikeldurchmesserverteilung, die durch die Laserbeugungs- und Streumethode erhalten wird.
Der Gehalt der Metallverbindung im Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial wird geeignet so eingestellt, dass ein gewünschtes Kathodenaktivmaterial erhalten werden kann.
(Lithiumverbindung)
Die Lithiumverbindung ist nicht besonders beschränkt, solange es sich um eine Verbindung handelt, die Lithium enthält. Es kann eine bekannte Lithiumverbindung verwendet werden und Beispiele hierfür umfassen Lithiumoxid, Lithiumhydroxid, Lithiumnitrat und Lithiumcarbonat. Lithiumhydroxid, Lithiumnitrat, Lithiumcarbonat und dergleichen werden jeweils durch Oxidation zu Lithiumoxid.
Die Art der Lithiumverbindung ist passend entsprechend der Art der Metallverbindung ausgewählt, da die Erhitzungstemperatur (Brenntemperatur) entsprechend der Art der Metallverbindung geändert wird. Wird zum Beispiel ein Metallhydroxid oder ein Metalloxid, welches Nickel, Kobalt und Mangan enthält, als die Metallverbindung verwendet, muss die Brenntemperatur bei etwa 800 °C liegen. Deshalb wird in diesem Fall vorzugsweise Lithiumcarbonat als die Lithiumverbindung gewählt. In einem Fall, in dem ein Metallhydroxid oder ein Metalloxid, welches Nickel, Kobalt und Aluminium enthält, als die Metallverbindung verwendet wird, muss die Brenntemperatur bei etwa 500°C liegen. Deshalb wird in diesem Fall vorzugsweise Lithiumhydroxid als die Lithiumverbindung gewählt.
Der Gehalt der Lithiumverbindung im Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial wird geeignet so eingestellt, dass ein gewünschtes Kathodenaktivmaterial erhalten werden kann.
(Form des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1)
Die Form des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 ist nicht besonders beschränkt und kann ein Blatt sein. Das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 in Form eines Blattes lässt sich leicht gleichmäßig durcherhitzen. Im Ergebnis wird ungleichmäßiges Erhitzen unterdrückt und Schwankungen in der Kristallinität des herzustellenden Kathodenaktivmaterials 2 werden zudem verringert. Das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 in der Form eines Blattes lässt sich ebenfalls leicht am Gewinnungsteil 40 zerkleinern.
Die Dicke des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 in Form eines Blattes ist nicht besonders beschränkt und kann zum Beispiel mindestens 0,1 mm, mindestens 0,5 mm, mindestens 1 mm, mindestens 2 mm, höchstens 50 mm, höchstens 30 mm, weniger als 30 mm, höchstens 20 mm, höchstens 10 mm oder höchstens 5 mm betragen. Das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 in Form eines Blattes mit einer zu großer Dicke ist schwierig gleichmäßig zu erhitzen. Das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 in Form eines Blattes mit einer zu geringen Dicke führt zu einer geringeren Produktivität.
Das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 kann mit der Formungskomponente 20 und/ oder den Heizkomponenten 31 zu einem Blatt gebildet werden, oder es kann zum Beispiel durch vorheriges Pressformen zu einem Blatt geformt werden. Das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 kann im Voraus zu einem Blatt geformt werden, und das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial kann mit der Formungskomponente 20 und/oder den Heizkomponenten 31 so weiter geformt werden, dass das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 eine vorbestimmte Dicke aufweist.
<Fördervorrichtung 10>
Die Fördervorrichtung 10 ist eine Komponente zum Fördern des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1. Wie in 1 ist die Fördervorrichtung 10 mit einer Förderkomponente 11, die das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 fördert, und einer Fördereinheit (nicht dargestellt) zum Antreiben der Förderkomponente 11 versehen.
(Förderkomponente 11)
Die Förderkomponente 11 ist eine Komponente, die das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 (Förderband) fördert. Die Förderkomponente 11 ist eine Komponente in Form eines Blattes, und wird durch die Antriebseinheit in der Förderrichtung von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite angetrieben. Es ist notwendig die Förderkomponente 11 auf der unteren Oberfläche bzw. Unterseite des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 anzuordnen, da die Förderkomponente 11 das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 fördert, wenn das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial darauf abgelegt wird. Die Förderkomponente 11 kann auch, wie in 1 gezeigt, auf der oberen Oberfläche bzw. Oberseite des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 angeordnet sein. Mit anderen Worten, das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 kann gefördert werden, wenn es zwischen den Förderkomponenten 11 gehalten wird.
Wie später beschrieben, erhitzt die Herstellungsvorrichtung 100 das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 durch Kontaktheizen. Das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 kann deshalb durch direkten Kontakt mit den Heizkomponenten 31 erhitzt werden. Dies bewirkt jedoch, dass das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 an den Heizkomponenten 31 anhaftet, und führt zu einer geringeren Produktivität. In der Herstellungsvorrichtung 100 ist durch In-Kontakt-Bringen der Heizkomponenten 31 mit dem Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 über die Förderkomponente 11 das Anhaften des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 an den Heizkomponenten 31 unterdrückt. Aus diesem Grund kann das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1, während der Erhitzung der oberen und unteren Oberflächen des Kathodenaktivmaterials 1, zwischen den Förderkomponenten 11 gehalten gefördert werden.
Es ist notwendig, das die Förderkomponente 11 aus einer Komponente besteht, die beständig gegenüber der Erhitzungstemperatur in der Heizeinheit 30 ist (hitzebeständige Komponente), da die Förderkomponente 11 mit den Heizeinkomponenten 31 in Kontakt ist. So muss die hitzebeständige Komponente beispielsweise einer Temperatur von 900°C oder mehr standhalten. Beispiele für eine solche hitzebeständige Komponente umfassen Quarzglasgewebe und Siliziumdioxidfasertücher.
Es ist notwendig, Sauerstoff von außen aufzunehmen um das Brennen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 voranzutreiben, wenn ein Material durch Oxidation des Metallhydroxids, einem Lithiumhydroxid oder dergleichen zu einem Oxid wird im Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 enthalten ist. Gleichzeitig erzeugt das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 durch das Brennen ein Gas wie Feuchtigkeit (Wasserdampf) und Kohlendioxid. Deshalb wird das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 vorzugsweise in einer Umgebung gebrannt, in der Gase ausgetauscht werden können. Daher kann die Förderkomponente 11 aus einer porösen, hitzebeständigen Komponente bestehen, die einen effizienten Gasaustausch mit dem Gas außerhalb erlaubt. Die Porengröße der porösen, hitzebeständigen Komponente ist nicht besonders beschränkt, solange ein effizienter Gasaustausch durch die Poren stattfinden kann und das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 nicht durch die Poren nach außen austritt. Die Porengröße der porösen, hitzebeständigen Komponente kann zum Beispiel höchstens 20 µm, höchstens 10 µm, höchstens 5 µm, mindestens 3 µm, mindestens 1 µm oder mindestens 0,5 µm betragen. Wenn die poröse, hitzebeständige Komponente eine zu große Porengröße aufweist, führt es dazu, dass das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 leicht nach außen austritt. Wenn die poröse, hitzebeständige Komponente eine zu kleine Porengröße aufweist, führt es dazu, dass die Effizienz des Gasaustauschs mit der Außenseite vermindert wird. Beispiele für eine solche poröse, hitzebeständige Komponente umfassen faserige hitzebeständige Komponenten. Beispiele für eine faserige hitzebeständige Komponente umfassen Quarzglasgewebe und Siliziumdioxidfasertücher.
Die Porengröße der porösen, hitzebeständigen Komponente ist eine diagonale Länge einer Maschenöffnung, die sich aus dem Faserdurchmesser und der Produktdichte (Einheit: Faseranzahl/mm) ergibt.
<Formungskomponente 20>
Die Formungskomponente 20 ist eine Komponente um das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 zu einem Blatt formt. Wie in 1 dargestellt, ist die Formungskomponente 20 in Förderrichtung stromaufwärtigen Seite der Heizeinheit 30 angeordnet. Die Formungskomponente 20 in der Herstellungsvorrichtung 100 ist eine optionale Komponente, da das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 wie oben beschrieben im Voraus zu einem Blatt geformt werden kann.
Ein Beispiel für die Formungskomponente 20 ist eine Pulvermengensteuerkomponente, um die zu fördernde Pulvermenge des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 zu steuern, und so das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 zu einem Blatt formt. Beispiele für die Pulvermengensteuerkomponente umfassen ein in 1 gezeigtes Pulvermengensteuermesser, und jede Komponente um das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 zu einem Blatt zu pressen oder zu formen.
Die Dicke des mit der Formungskomponente 20 geformten Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 in Form eines Blattes ist nicht besonders beschränkt und kann zum Beispiel mindestens 0,1 mm, mindestens 0,5 mm, mindestens 1 mm, mindestens 2 mm, höchstens 50 mm, höchstens 30 mm, weniger als 30 mm, höchstens 20 mm, höchstens 10 mm oder höchstens 5 mm betragen.
<Heizeinheit 30>
Die Heizeinheit 30 dient zum Erhitzen (Brennen) des Kathodenaktivmaterial-Rohmateriales 1. Wie in 1 gezeigt, ist die Heizeinheit 30 ein rechteckiges Gehäuse, und ist mit den sechs Heizwalzen 31 (Heizkomponenten) versehen.
Das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 kann in der Heizeinheit 30 bei 700°C oder höher, bei 800°C oder höher, bei 900°C oder höher, bei 1100°C oder niedriger, oder bei 1000°C oder niedriger erhitzt werden. Der Fachmann kann die Temperatur einstellen, bei der das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 in geeigneter Weise gebrannt werden kann. Wie später beschrieben, bewirkt der Kontakt des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 mit den Heizwalzen 31 die Erhitzung des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1. Deshalb sind eigentlich die Heizwalzen 31 auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt. Die Heizwalzen 31 können jeweils auf die gleiche Temperatur oder auf unterschiedliche Temperaturen erhitzt sein. Es können zum Beispiel einige der Heizwalzen 31, die in Förderrichtung weiter auf der stromaufwärtigen Seite angeordnet sind, zum Zwecke der Oxidation auf eine niedrigere Temperatur erhitzt sein, und einige der Heizwalzen 31, die in Förderrichtung weiter auf der stromabwärtigen Seite angeordnet sind, zum Zwecke des Brennens auf eine höhere Temperatur erhitzt sein.
Das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 kann in der Heizeinheit 30 unter einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt werden, da dadurch die Oxidationsreaktion des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 gefördert wird. DieHeizeinheit 30 ist mit einem Gebläseteil (nicht dargestellt) versehen, um im Inneren davon eine oxidierende Atmosphäre herzustellen. Die Zufuhr von Luft oder Sauerstoff durch das Gebläseteil in das Innere der Heizeinheit 30 kann im Inneren der Heizeinheit 30 eine oxidierendene Atmosphäre aufrechterhalten. Luft oder Sauerstoff kann kontinuierlich zugeführt werden, um das Innere der Heizeinheit 30 in einem negativen Druck aufrecht zu erhalten. Als das Gebläseteil kann zum Beispiel ein bekanntes Gebläse verwendet werden. Wenn das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial kein Material enthält, das zu einer Oxidationsreaktion führen kann, ist es nicht erforderlich im Inneren der Heizeinheit 30 eine oxidierende Atmosphäre herzustellen, da es nicht notwendig ist das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 in der Heizeinheit 30 zu oxidieren.
In dieser Beschreibung ist „oxidierende Atmosphäre“ eine Atmosphäre, in der ein Zielmaterial oxidiert werden kann, und ist zum Beispiel eine Atmosphäre eines Raums, der mit einem ihm zugeführten Gas gefüllt ist, und daher mindestens 1% Sauerstoff (z. B. Luft oder Sauerstoff) enthält. Die Sauerstoffkonzentration in dem Raum kann auf geeignete Weise entsprechend der Geschwindigkeit, mit der die Oxidation des Zielmaterials fortschreitet, eingestellt werden.
(Heizwalzen 31)
Die Heizwalzen 31 (Heizkomponenten) sind Komponenten zum Erhitzen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 durch Wärmeleitung. „Die Erhitzung des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 durch Wärmeleitung“ wird als Kontaktheizen (des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1) bezeichnet und bedeutet, dass das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 erhitzt wird, indem die Heizkomponenten in direkten oder indirekten Kontakt mit dem Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 gebracht werden. „Indirekt“ bedeutet, dass das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 erhitzt wird, indem die Heizkomponenten über eine beliebige andere Komponente bzw. Komponenten mit dem Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 in Kontakt gebracht sind. In 1 wird das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 erhitzt, indem die Heizwalzen 31 über die Förderkomponente 11 mit diesem in Kontakt gebracht sind. Das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 kann erhitzt werden, indem die Heizkomponenten über eine andere Komponente bzw. Komponenten als die Förderkomponente 11, oder über die Förderkomponente 11 und eine beliebige andere Komponente bzw. Komponenten mit diesem in Kontakt gebracht sind. Sofern nicht anders erwähnt, kann in dieser Beschreibung „direkter oder indirekter Kontakt“ einfach als „Kontakt“ bezeichnet werden.
Die Heizwalzen 31 dienen zur Erhitzung des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 durch Kontaktheizen, und ihre Merkmale sind das effiziente Erhitzen eines Kontaktabschnitts und eine hohe thermische Gleichmäßigkeit des Kontaktabschnitts. Dementsprechend kann die Brennzeit des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 verkürzt und Schwankungen in der Kristallinität verringert werden. Konventionell sind zur Herstellung eines Kathodenaktivmaterials zwei Heizschritte, ein Kalzinierungsschritt und ein Brennschritt, erforderlich, da Kontaktheizen zu einer hohen thermischen Gleichmäßigkeit führt. Mit der Herstellungsvorrichtung 100 kann das Kathodenaktivmaterial durch Brennen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials in einem Schritt erhalten werden. Deshalb kann gemäß der Herstellungsvorrichtung 100 die Produktivität des Kathodenaktivmaterials verbessert werden. Eine verkürzte Erhitzungszeit erlaubt auch kleinere Anlagen.
Die Anwendung der Heizwalzen 31 als Heizkomponenten erlaubt es das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial gleichzeitig zu fördern und zu erhitzen. Dies ermöglicht es, das Kathodenaktivmaterial 2 kontinuierlich herzustellen.
Wie in 1 gezeigt, ist die Heizeinheit 30 mit den sechs Heizwalzen 31 versehen. Der Aspekt der Anordnung und die Anzahl der Heizwalzen 31 sind nicht besonders beschränkt. Wie in 1 gezeigt, können die Heizwalzen zum Erhitzen einer Oberfläche (z.B. der oberen Oberfläche) des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 und die Heizwalzen zum Erhitzen der anderen Oberfläche (z.B. der unteren Oberfläche) des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 in der Förderrichtung von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite abwechselnd angeordnet sein. Dies erlaubt es, dass beide Oberflächen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 gleichmäßig erhitzt werden. Daher werden Temperaturunregelmä-ßigkeiten im Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 unterdrückt.
Beliebige benachbarte zwei der Heizwalzen 31 können einander gegenüberliegend angeordnet sein, so dass sie das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 dazwischen halten. Dies erlaubt es, dass beide Oberflächen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 gleichzeitig erhitzt werden. Daher kann die Heizeffizienz verbessert und Temperaturunregelmäßigkeiten unterdrückt werden. Die Anordnung von beliebigen benachbarten zwei der Heizwalzen 31 als die zwei benachbarten Heizwalzen 31, die einander zugewandt sind, erlaubt es, dass das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 durch Aufbringen von Druck erhitzt wird. Mit anderen Worten, das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 kann zu einem Blatt heißgeformt werden. Die Anpassung der Abstände zwischen den gegenüberliegenden Heizwalzen 31 erlaubt es, die Dicke des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 in Form eines Blattes anzupassen. Es können zum Beispiel die Abstände zwischen den einander zugewandten Heizwalzen 31 in Förderrichtung von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite jeweils schrittweise verengt sein. Dies lässt es zu, dass die Heizwalzen 31 so angeordnet sind, dass die Heizwalzen 31 das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 sicher dazwischen halten können. Daher können Temperaturunregelmäßigkeiten im Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 unterdrückt werden. Es ist nicht notwendig, die Abstände zwischen den Heizwalzen 31 strikt einzustellen, da der Zweck der Heizkomponenten 31 nicht darin besteht, das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 zu formen.
In 1 sind zwei beliebige benachbarte Heizwalzen so angeordnet, dass sie einander zugewandt sind. Wie aus 1 ersichtlich ist, wird für jede der Heizwalzen 31 ein Umschlingungswinkel eingestellt, mit Ausnahme der Heizwalzen 31 auf der am weitesten stromaufwärtigen Seite und der am weitesten stromabwärtigen Seite. 2 zeigt exemplarisch den Umschlingungswinkel. 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Heizwalzen 31 aus 1.
Wie in 2 und 3 mit „x“ angedeutet, ist der „Umschlingungswinkel“ ein Mittelpunktswinkel der Heizwalze 31, der aus dem Bereich der Heizwalze 31 von einem Punkt, den das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 (Förderkomponente 11) berührt, bis zu einem Punkt, an dem sich das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 von der Heizwalze 31 löst, erhalten wird. Die Einstellung des Umschlingungswinkels x für die Heizwalze 31 wie in 2 erlaubt es, die Kontaktfläche zwischen der Heizwalze 31 und dem Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 zu vergrößern und die Heizleistung zu verbessern. Zusätzlich wird eine ungleichmäßige Erhitzung unterdrückt und ein Gasaustausch kann gefördert werden, da das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 gezogen und bewegt werden kann. Außerdem kann das Anhaften des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 an den Heizwalzen 31 unterdrückt werden. Während die Erhitzung der beiden Oberflächen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1, der zwischen den einander gegenüberliegenden Heizwalzen 31 gehalten wird, bewirkt, dass das Brennen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 fortschreitet, wird eine Kontaktfläche des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1, die nicht zwischen den Heizwalzen 31 gehalten wird, aber beidseitig mit den Heizwalzen 31 in Kontakt steht, erhitzt und es kann gleichzeitig ein Gasaustausch über eine offene Fläche des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1, die nicht mit den Heizwalzen 31 in Kontakt ist, erfolgen. Daher kann das Brennen des Kathodenaktivmaterial-Rohmateriales 1 gefördert werden. Deshalb erlaubt die Anordnung der Heizwalzen 31 wie in den 1 und 3 es, beide Oberflächen oder eine der beiden Oberflächen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 abwechselnd zu erhitzen (Heißgeformt zu werden im Sinne von beiden der Oberflächen). Dementsprechend werden eine Erhitzung und ein effizienter Gasaustausch abwechselnd durchgeführt und das Brennen daher gefördert.
Der Umschlingungswinkel x der Heizwalzen 31 kann mindestens 10°, mindestens 20°, höchstens 180° oder höchstens 90° betragen. Heizwalzen mit einem zu engen Umschlingungswinkel machen es schwierig das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 zu ziehen und zu bewegen. Heizwalzen mit einem zu weiten Umschlingungswinkel bewirken, dass das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 an Stellen der Heizwalzen 31 entlang der vertikalen Richtung oder um diese herum absinkt oder sich zum Beispiel verschiebt und sich dadurch die Dicke während des Förderns verändert. Dies kann eine Temperatursteuerung erschweren. Nachteilig ist ein weiter Umschlingungswinkel insbesondere, wenn das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 und die Heizwalzen 31 nicht immer in Kontakt zueinander sind.
In 3 sind die Heizwalzen 31 außerdem so angeordnet, dass eine gerade Linie, die die Mittelpunkte von beliebigen benachbarten zwei der Heizwalzen 31 verbindet, eine der geraden Linien überlappt, die den Umschlingungswinkel einer der beiden benachbarten zwei Heizwalzen bilden. Dies erlaubt es, dass das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 immer in Kontakt mit den Heizwalzen 31 ist, die Heizleistung verbessert und die Heizzeit verkürzt wird.
In 3 ist der Umschlingungswinkel für jede der Heizwalzen 31 mit Ausnahme der Heizwalzen 31 auf der am weitesten stromaufwärtigen Seite und der am weitesten stromabwärtigen Seite eingestellt. Der Umschlingungswinkel kann ebenfalls für jede der Heizwalzen 31 auf der am weitesten stromaufwärtigen Seite und auf der am weitesten stromabwärtigen Seite eingestellt sein.
Das Material der Heizkomponenten 31 ist nicht besonders beschränkt. Die Heizkomponenten 31 können zum Beispiel aus einem Material bestehen, das gegenüber einer Temperatur von 1000°C oder mehr beständig ist. Beispiele für ein solches Material umfassen anorganische Materialien wie Keramiken und Metallmaterialien wie Eisen.
Die Drehrichtung der Heizwalzen kann in normaler Drehung (Drehung in der gleichen Richtung wie die Förderrichtung) oder in umgekehrter Drehung (Drehung entgegen der Förderrichtung) erfolgen. Die Anzahl der Umdrehungen der Heizwalzen ist nicht besonders beschränkt. Der Fachmann kann auf geeignete Weise eine optimale Drehrichtung und Drehzahl wählen, bei der sowohl thermische Gleichmäßigkeit als auch Wirtschaftlichkeit erreicht werden.
Die Oberflächen der Heizwalzen 31 können rau sein. Die Oberflächen der Heizwalzen 31 in rauer Form erlaubt es dem Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 in Kontakt mit den Heizwalzen 31 gezogen und bewegt zu werden, ungleichmäßige Erwärmung zu unterdrücken, und einen Gasaustausch zu fördern. Das Anhaften des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials kann ebenfalls unterdrückt werden.
Die Länge der Heizwalzen 31 in Breitenrichtung ist nicht besonders beschränkt. Die Länge der Heizwalzen 31 kann zum Beispiel so eingestellt werden, wie die der Förderkomponente 11 in Breitenrichtung. Der Durchmesser der Heizwalzen 31 ist auf geeignete Weise hinsichtlich der Größe der Heizeinheit 30 und geeigneter Erhitzung des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 eingestellt.
<Gewinnungsteil 40>
Das Gewinnungsteil 40 ist eine Komponente zur Gewinnung des in der Heizeinheit 30 erhaltenen Kathodenaktivmaterials 2. Wenn das Kathodenaktivmaterial 2 wie in 1 zwischen der Förderkomponente 11 gehalten und von dieser gefördert wird, kann man die Förderkomponente am Gewinnungsteil 40 abtrennen und das Kathodenaktivmaterial 2 aus dem Inneren der Förderkomponente gewinnen. Das gewonnene Kathodenaktivmaterial 2 kann zerkleinert werden. Die Art und Weise der Zerkleinerung des Kathodenaktivmaterials 2 ist nicht besonders beschränkt. Das Kathodenaktivmaterial 2 kann nach der Gewinnung zum Beispiel mit einem Hammer zerkleinert werden. Wenn das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 in Form eines Blattes vorliegt, liegt das erhaltene Kathodenaktivmaterial 2 ebenfalls in Form eines Blattes vor und kann daher leicht zerkleinert werden. Das Kathodenaktivmaterial 2 wird zum Beispiel wie in 1 bereits bei seiner Gewinnung zerkleinert.
Wenn eine poröse, hitzebeständige Komponente für die Förderkomponente 11 verwendet wird, ist das Kathodenaktivmaterial 2 manchmal in inneren Poren vergraben. In einem solchen Fall kann das darin vergrabene Kathodenaktivmaterial 2 durch Vibrieren der Förderkomponente 11 in einem Zustand, in dem die Förderkomponente 11 umgedreht ist, oder durch Blasen von Luft gegen eine Oberfläche, die nicht in Kontakt mit dem Kathodenaktivmaterial 2 ist (Pfeile in 1), gewonnen werden, und daher die Produktivität verbessert werden. Ein Beispiel für eine Vorrichtung, mit der die Vibration aufgezwungen wird, ist ein Vibrationsklopfer. Ein Beispiel für eine Vorrichtung, mit der Luft eingeblasen wird, ist ein Gebläse.
<Kathodenaktivmaterial 2>
Das in der Herstellungsvorrichtung 100 erhaltene Kathodenaktivmaterial 2 weist eine Zusammensetzung auf, bei der Lithium in das Metalloxid eingefügt ist. Das molare Verhältnis der Metallelemente des Kathodenaktivmaterials 2 kann zum Beispiel wie folgt sein. Li:Ni:Co:Mn = s:x:y:z (0,8 ≤ s ≤ 1,2, x = 1 - y - z, 0 ≤ y < 1 und 0 ≤ z < 1) oder Li:Ni:Co:Al = s:x:y:z (0,8 ≤ s ≤ 1,2, x = 1 - y - z, 0 ≤ y < 1 und 0 ≤ z < 1). Die Zusammensetzung des Kathodenaktivmaterials 2 kann Li_sNi_xCo_yMn_z(O)_2+α (0,8 ≤ s ≤ 1,2, x = 1 - y - z, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1 und -0,5 ≤ α < 0,5) oder Li_sNi_xC_yAl_z(O)_2+α (0,8 ≤ s ≤ 1,2, x = 1 - y - z, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1 und -0,5 ≤ α < 0,5) sein.
Schwankungen in der Kristallinität des erhaltenen Kathodenaktivmaterials 2 werden verringert, da das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 durch Kontaktheizen gebrannt wird. Schwankungen in der Kristallinität werden durch Kristallitgrößenbestimmung mittels XRD erhalten. Der optimale Bereich der Kristallitgröße (Einheit: nm) wird im Hinblick auf das Evaluationsergebnis einer Batterie, die das Kathodenaktivmaterial 2 enthält, eingestellt. Der Bereich der Kristallitgröße kann zum Beispiel ungefähr ±200 nm, ±100 nm oder ±50 nm betragen.
<Weitere Ausführungsform>
4 zeigt eine Herstellungsvorrichtung 200 für ein Kathodenaktivmaterial für Lithiumionen-Sekundärbatterien (kann in dieser Beschreibung als „Herstellungsvorrichtung 200“ bezeichnet werden). In der Herstellungsvorrichtung 200 sind die Heizwalzen 31 der Herstellungsvorrichtung 100 zu tafelförmige Heizkomponenten 131 geändert. Das Material etc. der Flachheizkomponenten 131 ist das gleiche wie das der Heizwalzen 31.
Die Flachheizkomponenten 131 sind tafelförmige Heizkomponenten. Wie in 4 gezeigt, sind drei Paare der Flachheizkomponenten 131 in Förderrichtung ausgerichtet: jedes Paar besteht aus zwei Flachheizkomponenten 131 an der Ober- bzw. Unterseite. Das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 wird erhitzt, indem die Flachheizkomponenten 131 angehoben und abgesenkt werden, und das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 zwischen den Flachheizkomponenten 131 gehalten wird. Zu diesem Zeitpunkt kann das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial 1 druckgeformt werden. Bei der Erwärmung wird die Förderkomponente 11 vorübergehend angehalten. Wie oben beschrieben, kann Kontaktheizen selbst mit den Flachheizkomponenten 131 als Heizkomponenten realisiert werden.
(Ergänzend)
In jeder der Herstellungsvorrichtungen 100 und 200 wird eine Vielzahl der Heizkomponenten verwendet. Die Herstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist nicht hierauf beschränkt. Es ist ausreichend, dass die Herstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung mit mindestens einer Heizkomponente versehen ist, denn es genügt, dass die Heizkomponente bzw. Heizkomponenten in der zum Brennen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials 1 erforderlichen Mindestanzahl angeordnet ist. Die Heizkomponenten sind nicht auf die Form einer Rolle oder einer Platte beschränkt, sondern verschiedene Formen können hierfür angewendet werden, da es ausreichend ist, dass die Heizkomponenten eine Form haben, mit der Kontaktheizen realisiert werden kann.
[Verfahren zur Herstellung von Kathodenaktivmaterial für Lithiumionen-Sekundärbatterien]
Das Verfahren zur Herstellung eines Kathodenaktivmaterials für Lithiumionen-Sekundärbatterien gemäß der vorliegenden Offenbarung wird unter Bezugnahme auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kathodenaktivmaterials für Lithiumionen-Sekundärbatterien 1000 beschrieben, das eine Ausführungsform darstellt (kann in dieser Beschreibung als „Herstellungsverfahren 1000“ bezeichnet werden).
5 zeigt ein Flussdiagramm des Herstellungsverfahrens 1000. Wie in 5, umfasst das Herstellungsverfahren 1000 einen Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial-Vorbereitungsschritt S1, einen Formungsschritt S2, einen Heizschritt S3 und einen Gewinnungsschritt S4. Der Formungsschritt S2, der Heizschritt S3 und der Gewinnungsschritt S4 können mit der Herstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung durchgeführt werden.
(Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial-Vorbereitungsschritt S1)
Der Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial-Vorbereitungsschritt S 1 ist ein Schritt, bei dem die Metallverbindung und die Lithiumverbindung gemischt werden, um das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial zu erhalten. Die Metallverbindung, die Lithiumverbindung und das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial sind wie oben beschrieben, und die Beschreibung entfällt hier daher. Die Art des Mischens ist ebenfalls wie oben beschrieben, und die Beschreibung entfällt hier daher.
<Formungsschritt S2>
Der Formungsschritt S2 ist ein optionaler Schritt, der vor dem Heizschritt S3 bereitgestellt ist. Der Formungsschritt S2 ist ein Schritt, bei dem das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial zu einem Blatt geformt wird. Die Art wie das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial zu einem Blatt geformt wird, ist nicht besonders beschränkt. Es kann zum Beispiel jede der oben beschriebenen Arten des Formens angewendet werden.
<Heizschritt S3>
Der Heizschritt S3 ist ein Schritt des Erhitzens (Brennens) des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials. Insbesondere ist der Heizschritt S3 ein Schritt, bei dem das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial durch Wärmeleitung erhitzt wird. Die Art des Erhitzens des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials ist oben beschrieben, und die Beschreibung entfällt hier daher.
<Gewinnungsschritt S4>
Der Gewinnungsschritt S4 ist ein Schritt des Gewinnens des im Heizschritt S3 erhaltenen Kathodenaktivmaterials. Die Art der Gewinnung des Kathodenaktivmaterials ist nicht besonders beschränkt. Es kann zum Beispiel jedes der oben beschriebenen Gewinnungsverfahren angewendet werden.
<Andere Ausführungsformen>
6 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Kathodenaktivmaterials für Lithiumionen-Sekundärbatterien 2000 (kann in dieser Beschreibung als „Herstellungsverfahren 2000“ bezeichnet werden). Im Herstellungsverfahren 2000 ist ein oxidierender Röstschritt S5 im Herstellungsverfahren 1000 bereitgestellt. Der oxidierende Röstschritt S5 wird vor dem Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial-Vorbereitungsschritt S1 bereitgestellt und ist ein Schritt, bei dem ein Metallhydroxid in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt wird. Die Art wie ein Metallhydroxid einem oxidierenden Rösten unterzogen wird ist wie oben beschrieben, und die Beschreibung entfällt hier daher. Die Bereitstellung des oxidierendes Brennschritt S5 ermöglicht es, ein Metalloxid zu erhalten. Die Oxidation eines Metallhydroxids ist eine endotherme Reaktion. Daher kann das Verwenden des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials, der ein Metallhydroxid enthält, im Heizschritt S4 zu Temperaturunregelmäßigkeiten führen. Deshalb ist im Herstellungsverfahren 2000 der oxidierende Röstschritt S5 bereitgestellt und die Oxidation des Metallhydroxids wird im Voraus durchgeführt. Es ist anzumerken, dass Temperaturunregelmäßigkeiten selbst dann unterdrückt werden, wenn das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial, der ein Metallhydroxid enthält, verwendet wird, weil im Heizschritt S4 Kontaktheizung angewendet wird.
7 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Kathodenaktivmaterials für Lithiumionen-Sekundärbatterien 3000 (kann in dieser Beschreibung als „Herstellungsverfahren 3000“ bezeichnet werden). Im Herstellungsverfahren 3000 ist ein Kalzinierungsschritt S6 vor dem Formungsschritt S2 bereitgestellt. Der Kalzinierungsschritt S6 ist ein Schritt, bei dem das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt wird. Der Kalzinierungsschritt S6 erlaubt es, ein Metallhydroxid zu einem Metalloxid zu oxidieren, und eine Lithiumverbindung wie Lithiumhydroxid zu Lithiumoxid zu oxidieren. Eine solche Oxidationsreaktion ist eine endotherme Reaktion. Daher ermöglicht es die Vervollständigung der Oxidation des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials im Kalzinierungsschritt S6 Temperaturunregelmäßigkeiten im Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial im Heizschritt S4 zu unterdrücken und kurzzeitiges Brennen zu ermöglichen. Es ist anzumerken, dass das Kathodenaktivmaterial selbst dann durch geeignetes Brennen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials, das zum Beispiel ein Metallhydroxid enthält, erhalten werden kann, wenn der Kalzinierungsschritt S6 nicht bereitgestellt wird, da im Heizschritt S4 Kontaktheizen angewendet wird.
Die Heiztemperatur im Kalzinierungsschritt S6 beträgt zum Beispiel 700°C bis 800°C. Die Heizzeit beträgt zum Beispiel 0,5 bis 3 Stunden. Eine solche Erhitzung kann mit Hilfe eines Brenngeräts wie zum Beispiel einem Drehofen durchgeführt werden.
In dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung können sowohl der oxidierende Brennschritt S5 als auch der Kalzinierungsschritt S6 kombiniert werden.
Die Herstellungsvorrichtung für ein Kathodenaktivmaterial für Lithium-Ionen-Sekundärbatterien und das Verfahren zur Herstellung eines Kathodenaktivmaterials für LithiumIonen-Sekundärbatterien gemäß der vorliegenden Offenbarung sind jeweils mit Hilfe der Ausführungsformen beschrieben worden. In der vorliegenden Offenbarung wird Kontaktheizen, bei welcher das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial durch Wärmeleitung erhitzt wird, angewendet. Die Merkmale des Kontaktheizens sind effizientes Erhitzen eines Kontaktabschnitts und geringe Temperaturunregelmäßigkeiten im Kontaktabschnitt (die thermische Gleichmäßigkeit des Kontaktabschnitts ist hoch). Deshalb kann gemäß der vorliegenden Offenbarung dort, wo Kontaktheizen angewendet wird, die Brennzeit des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials verkürzt und Schwankungen in der Kristallinität verringert werden. Zusätzlich kann gemäß der vorliegenden Offenbarung das Kathodenaktivmaterial durch Brennen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials mit einer einzigen Heizeinheit (Heizschritt) erhalten werden, was sich von einer herkömmlichen Vorrichtung oder einem herkömmlichen Verfahren unterscheidet. Deshalb kann gemäß der vorliegenden Offenbarung die Produktivität des Kathodenaktivmaterials verbessert werden. Eine verkürzte Heizzeit erlaubt auch kleinere Anlagen.
Industrielle Anwendbarkeit
Das gemäß dieser Offenbarung hergestellte Kathodenaktivmaterial kann für eine Kathode einer nichtwässrigen Lithiumionen-Sekundärbatterie, einer wässrigen Lithiumionen-Sekundärbatterie oder einer Lithiumionen-Festkörpersekundärbatterie verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial
2: Kathodenaktivmaterial
10: Fördervorrichtung
11: Förderkomponente
20: Formungskomponente
30: Heizeinheit
31: Heizwalze (Heizkomponente)
40: Gewinnungsteil
131: Flachheizkomponente (Heizkomponente)
100, 200: Herstellungsvorrichtung für ein Kathodenaktivmaterial für Lithiumionen-Sekundär-batterien

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2020113429 A [0005]
JP 2019175694 A [0005]
JP 2020198195 A [0005]

Claims

Herstellungsvorrichtung für ein Kathodenaktivmaterial für Lithiumionen-Sekundärbatterien, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Fördervorrichtung, die ein Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial fördert, das eine Metallverbindung und eine Lithiumverbindung enthält, wobei die Metallverbindung mindestens ein Metallelement ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kobalt und Mangan enthält, und eine Heizeinheit, die konfiguriert ist, um das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial zu erhitzen, wobei die Heizeinheit mindestens eine Heizkomponente aufweist, die konfiguriert ist, um das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial durch Wärmeleitung zu erhitzen.
Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Heizkomponente eine Heizwalze ist.
Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Heizkomponenten mehrere Heizwalzen sind, wobei einige der Heizwalzen, die konfiguriert sind, um eine Oberfläche des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials zu erhitzen, und die übrigen Heizwalzen, die konfiguriert sind, um eine andere Oberfläche des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials zu erhitzen, abwechselnd von einer stromaufwärts gelegenen Seite zu einer stromabwärts gelegenen Seite in einer Förderrichtung angeordnet sind, und beliebige benachbarte zwei der Heizwalzen einander gegenüberliegend angeordnet sind, um das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial dazwischen zu halten.
Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein Umschlingungswinkel der Heizwalze bzw. der Heizwalzen 10° bis 180° beträgt.
Herstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial in der Heizeinheit auf 700°C bis 1000°C erhitzt wird.
Herstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial in der Heizeinheit in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt wird.
Herstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Fördervorrichtung eine Förderkomponente aus einer porösen, hitzebeständigen Komponente aufweist, und das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial mit der Heizkomponente bzw. den Heizkomponenten über die poröse, hitzebeständige Komponente erhitzt wird.
Herstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die des Weiteren umfasst: eine Formungskomponente, die konfiguriert ist, um das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial zu einem Blatt zu formen, wobei sich die Formungskomponente in der Förderrichtung auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Heizeinheit befindet.
Herstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die des Weiteren umfasst: ein Gewinnungsteil, das konfiguriert ist, um das in der Heizeinheit erhaltene Kathodenaktivmaterial zu gewinnen.
Verfahren zur Herstellung eines Kathodenaktivmaterials für Lithiumionen-Sekundärbatterien, wobei das Verfahren umfasst: Vorbereiten eines Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials durch Mischen einer Metallverbindung und einer Lithiumverbindung, wobei die Metallverbindung mindestens ein Metallelement ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kobalt und Mangan enthält, und Erhalten des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials, und Erhitzen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials, wobei das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial beim Erhitzen durch Wärmeleitung erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial beim Erhitzen gleichzeitig gefördert und erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei beim Erhitzen beide Oberflächen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials erhitzt werden oder jede Oberfläche des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials abwechselnd erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial beim Erhitzen durch eine Heizwalze mit einem Umschlingungswinkel von 10° bis 180° erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial beim Erhitzen auf 700°C bis 1000°C erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial beim Erhitzen in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei das Kathodenaktivmaterial-Rohmaterial beim Erhitzen über eine poröse, hitzebeständige Komponente erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, das des Weiteren umfasst: Formen des Kathodenaktivmaterial-Rohmaterials zu einem Blatt vor dem Erhitzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, das des Weiteren umfasst: Gewinnen eines beim Erhitzen erhaltenen Kathodenaktivmaterials.