KR20150108412A - 캐소드 활성 물질 코팅 - Google Patents

캐소드 활성 물질 코팅 Download PDF

Info

Publication number
KR20150108412A
KR20150108412A KR1020157022584A KR20157022584A KR20150108412A KR 20150108412 A KR20150108412 A KR 20150108412A KR 1020157022584 A KR1020157022584 A KR 1020157022584A KR 20157022584 A KR20157022584 A KR 20157022584A KR 20150108412 A KR20150108412 A KR 20150108412A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
coating
cathode active
active material
unit
particles
Prior art date
Application number
KR1020157022584A
Other languages
English (en)
Inventor
루 양
미아오준 왕
동리 젱
로버트 제트. 바치라치
Original Assignee
어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 filed Critical 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Publication of KR20150108412A publication Critical patent/KR20150108412A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0471—Processes of manufacture in general involving thermal treatment, e.g. firing, sintering, backing particulate active material, thermal decomposition, pyrolysis
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1391—Processes of manufacture of electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/366—Composites as layered products
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y02E60/122—

Abstract

본 개시물의 실시예들은, 얇은 보호 코팅 층을 갖는 캐소드 활성 물질들의 입자들을 형성하기 위한 장치 및 방법들에 관한 것이다. 얇은 보호 코팅 층은 캐소드 활성 물질의 사이클 및 안전 성능을 개선시킨다. 코팅 전구체는 캐소드 활성 물질들의 입자들의 형성 동안에 다양한 스테이지들에서 부가될 수 있다. 케미칼(chemical)의 얇은 층은 완전한(complete) 코팅이거나 부분적인(partial) 코팅일 수 있다. 캐소드 활성 물질의 사이클 성능 및 안전 성능을 개선시키기 위해, 코팅은 산화물과 같은 케미칼들의 얇은 층을 포함할 수 있다.

Description

캐소드 활성 물질 코팅{CATHODE ACTIVE MATERIAL COATING}
[0001] 본 개시물의 실시예들은 일반적으로, 고 에너지 배터리들에 관한 것이다. 더 구체적으로, 고 에너지 리튬 배터리들을 위한 캐소드 활성 물질들을 형성하기 위한 방법들 및 장치가 개시된다.
[0002] 수퍼-캐패시터들 및 리튬(Li) 이온 배터리들과 같은, 고속-충전의, 고-용량 에너지 저장 디바이스들은, 휴대용 전자기기들, 의료 디바이스들, 운송 수단(transportation), 그리드-연결된 대형(large) 에너지 저장소, 재생 에너지(renewable energy) 저장소, 및 무정전 전원 공급기들(UPS)을 포함하는, 그 수가 증가하고 있는 어플리케이션들에서 사용된다.
[0003] 현대의 재충전 가능한 에너지 저장 디바이스는 일반적으로, 캐소드, 애노드, 캐소드와 애노드 사이에 배치된 전해질, 및 캐소드와 애노드를 분리하는 분리기(separator)를 포함한다. 대부분의 상업용 리튬-이온 배터리들에서, 캐소드는, LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2 또는 Ni, Li,Mn, 및 Co 산화물들의 조합들과 같은 전형적으로 리튬 전이 금속(transition metal) 산화물들인 리튬 금속 이온들의 소스이다. 애노드는 금속 이온들의 싱크(sink), 예를 들어, 그라파이트 또는 실리콘이다. 캐소드 및 애노드 양자 모두는 또한, 전극들의 양호한 전자적 및 기계적 특성들을 보장하기 위해, 전도성 탄소 및 폴리머 바인더(polymer binder)들과 같은 비-활성 물질들을 포함한다. 분리기는 캐소드와 애노드 사이의 전자 운송(electronic transport)의 분리를 제공한다. 모든 컴포넌트들 중에서, 캐소드 활성 물질은 재충전 가능한 에너지 저장 디바이스들의 다양한 파라미터들, 예컨대 충전/방전 용량, 레이트 성능, 사이클 성능, 및 안전성에 영향을 준다.
[0004] 따라서, 개선된 성능을 갖는 캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 장치 및 방법들에 대한 필요가 존재한다.
[0005] 코팅된 캐소드 활성 물질들을 형성하기 위한 장치 및 방법들이 설명된다.
[0006] 본 개시물의 일 실시예는, 연속적인 흐름(continuous flow)에 의해 캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 장치를 제공한다. 장치는, 전구체들의 혼합물 또는 용액을 생성하는 혼합 유닛, 전구체들의 혼합물 또는 용액으로부터 캐소드 활성 물질의 입자들을 합성하기 위해, 혼합 유닛에 커플링된 합성 유닛, 합성 유닛의 배출구에 커플링된 냉각 유닛, 냉각 유닛 하류에 커플링된 이송 채널, 캐소드 활성 물질의 입자들을 수집하기 위해, 이송 채널에 연결된 수집 유닛, 및 캐소드 활성 물질의 입자들을 어닐링하기 위한, 수집 유닛 하류의 어닐링 유닛을 포함한다. 장치는, 캐소드 활성 물질의 입자들 상에 코팅을 형성하기 위해, 코팅 전구체를 장치에 제공하는 코팅 소스 유닛을 더 포함한다. 코팅 소스 유닛은 혼합 유닛, 합성 유닛, 이송 채널, 수집 유닛, 또는 어닐링 유닛에 배치된다. 대안적으로, 독립적인 코팅 유닛은 수집 유닛과 어닐링 유닛 사이에 커플링되거나, 또는 단독형(standalone) 유닛이다.
[0007] 본 개시물의 다른 실시예는 캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 방법을 제공한다. 방법은 금속 이온들을 포함하는 전구체들의 혼합물 또는 용액을 형성하는 단계, 캐소드 활성 물질의 입자들을 형성하기 위해, 전구체들의 혼합물 또는 용액을 합성하는 단계, 캐소드 활성 물질의 입자들을 냉각하고 수집 유닛으로 이송하는 단계, 수집 유닛에서 캐소드 활성 물질의 입자들을 수집하는 단계 및 수집된 캐소드 활성 물질의 입자들을 어닐링하는 단계를 포함한다. 방법은, 캐소드 활성 물질의 입자들 위에 코팅을 형성하기 위해, 코팅 전구체를 부가하는 단계를 더 포함한다. 코팅 전구체를 부가하는 단계는 이하의 시간들 중 하나 동안에 수행된다: 전구체들의 혼합물 또는 용액을 형성할 때, 캐소드 활성 물질의 입자들을 냉각하고 이송할 때, 캐소드 활성 물질의 입자들을 수집할 때, 캐소드 활성 물질의 입자들을 수집한 이후 및 어닐링하기 이전, 캐소드 활성 물질의 입자들을 어닐링할 때, 및 캐소드 활성 물질의 입자들을 어닐링한 이후.
[0008] 본 발명의 상기 열거된 특징들이 상세히 이해될 수 있는 방식으로, 앞서 간략히 요약된, 본 발명의 보다 구체적인 설명이 실시예들을 참조로 하여 이루어질 수 있는데, 이러한 실시예들의 일부는 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 본 발명의 단지 전형적인 실시예들을 도시하는 것이므로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 주목되어야 하는데, 이는 본 발명이 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
[0009] 도 1은 본 개시물의 일 실시예에 따른, 캐소드 활성 물질들을 형성하기 위한 시스템의 개략도이다.
[0010] 도 2a는 본 개시물의 일 실시예에 따른, 코팅을 갖는 캐소드 활성 물질들을 형성하기 위한 방법의 흐름도이다.
[0011] 도 2b는 본 개시물의 일 실시예에 따른, 코팅을 갖는 캐소드 활성 물질들을 형성하기 위한 방법의 흐름도이다.
[0012] 도 2c는 본 개시물의 일 실시예에 따른, 코팅을 갖는 캐소드 활성 물질들을 형성하기 위한 방법의 흐름도이다.
[0013] 도 2d는 본 개시물의 일 실시예에 따른, 코팅을 갖는 캐소드 활성 물질들을 형성하기 위한 방법의 흐름도이다.
[0014] 도 2e는 본 개시물의 일 실시예에 따른, 코팅을 갖는 캐소드 활성 물질들을 형성하기 위한 방법의 흐름도이다.
[0015] 도 2f는 본 개시물의 일 실시예에 따른, 코팅을 갖는 캐소드 활성 물질들을 형성하기 위한 방법의 흐름도이다.
[0016] 도 3은 도 2b에 도시된 방법에 따른, 캐소드 활성 물질을 코팅하기 위한 반응을 개략적으로 예시한다.
[0017] 도 4a는 다양한 캐소드 활성 물질들을 갖는 배터리들의 제 1 사이클 충전/방전 곡선들을 도시하는 그래프이다.
[0018] 도 4b는 다양한 캐소드 활성 물질들을 갖는 배터리들의 제 2 사이클 충전/방전 곡선들을 도시하는 그래프이다.
[0019] 도 4c는 다양한 캐소드 활성 물질들을 갖는 배터리들의 사이클 성능을 도시하는 그래프이다.
[0020] 이해를 용이하게 하기 위하여, 가능하면, 도면들에 공통되는 동일한 요소들을 나타내는데 동일한 참조번호들이 사용되었다. 일 실시예에 개시되는 요소들이, 구체적인 언급 없이 다른 실시예들에서 유리하게 사용될 수 있다는 점이 고려된다.
[0021] 본 개시물의 실시예들은, 고속 충전의 고 용량 에너지 저장 디바이스들을 위한 캐소드 활성 물질들을 형성하기 위한 장치 및 방법들에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시물의 실시예들은, 얇은 보호 코팅 층을 갖는 캐소드 활성 물질들의 입자들을 형성하기 위한 장치 및 방법들에 관한 것이다. 얇은 보호 코팅 층은 캐소드 활성 물질의 사이클 및 안전 성능을 개선시킨다. 코팅 전구체는 캐소드 활성 물질들의 입자들의 형성 동안에 다양한 스테이지들에서 부가될 수 있다. 케미칼(chemical)의 얇은 층은 완전한(complete) 코팅이거나 부분적인(partial) 코팅일 수 있다. 캐소드 활성 물질의 사이클 성능 및 안전 성능을 개선시키기 위해, 코팅은 산화물과 같은 케미칼들의 얇은 층을 포함할 수 있다.
[0022] 도 1은 본 개시물의 일 실시예에 따른, 캐소드 활성 물질들을 형성하기 위한 시스템(100)의 개략도이다. 시스템(100)은 본 개시물의 실시예에 따른, 제어된 연속적인 흐름의 접근법을 사용하여 캐소드 활성 물질 또는 다른 고체(solid) 물질들의 입자들을 합성하도록 구성된다.
[0023] 시스템(100)은, 생성될 고체 물질들을 위한, 전구체들의 혼합물 또는 용액을 생성하도록 구성된 혼합 유닛(110)을 포함할 수 있다. 시스템(100)은 또한, 혼합 유닛(110) 하류에 커플링된 합성 유닛(120)을 포함할 수 있다. 합성 유닛(120)은, 캐소드 활성 물질의 입자들과 같은 고체 물질들의 입자들을 형성하기 위해, 전구체들의 혼합물 또는 용액을 합성하도록 구성된다. 합성 유닛(120)은 액적(droplet) 생성기(112), 건조기(dryer; 114), 및 반응기(116)를 포함할 수 있다. 물질들을 파우더 형태로 생성하기 위해 액적들을 생성하기 위한 액적 생성기(112)는 혼합 유닛(110) 하류에 연결된다. 건조기(114) 및 반응기(116)는 액적 생성기(112) 하류에 연결된다. 건조기(114) 및 반응기(116)는 액적들을 고체 입자들로 변환(converting)하기 위해 다수 스테이지의 고온 반응기를 제공한다. 합성된 입자들을 수집하기 위해, 냉각 유닛(130) 및 이송 채널(134)이 건조기(114) 및 반응기(116)를 수집 유닛(140)에 연결시킨다. 시스템(100)은 또한, 패키징에 앞서 열 처리를 위해 어닐링 유닛(150)을 포함할 수 있다. 어닐링 유닛(150)은 수집 유닛(140)에 연결될 수 있다.
[0024] 동작 동안에, 전구체들의 유동은 혼합 유닛(110)으로부터 액적 생성기(112)를 향하여 시작된다. 액적 생성기(112)는 건조기(114)에 배치되거나 커플링된다. 전구체들은 액적 생성기(112)로부터 건조기(114) 내로 분산되고(dispersed) 건조기(114)를 통해, 건조기(114) 하류에 연결된 반응기(116) 내로 유동한다. 유동은 반응기(116)를 빠져나와 냉각 유닛(130)으로, 그런 후에 이송 채널(134)을 통해 수집 유닛(140)으로, 그런 후에, 수집 유닛(140)에 선택적으로 커플링된, 고체 물질의 최종 생성물이 형성되는 어닐링 유닛(150)으로 나온다.
[0025] 본 개시물의 실시예들은 또한, 제조 프로세스 동안에 캐소드 활성 물질과 같은 고체 물질에 대해 코팅 물질을 도입하기 위한 코팅 소스 유닛을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 코팅 소스 유닛은 연속적인 흐름의 프로세스의 다양한 스테이지들에 위치될 수 있다. 예를 들어, 코팅 소스 유닛(170A)은, 코팅 물질들을 갖는 입자들이 건조기(114) 및 반응기(116)에서 합성되도록 코팅 전구체를 포함하는 전구체 혼합물을 형성하기 위해, 혼합 유닛(110)에 커플링될 수 있다. 대안적으로, 코팅 소스 유닛(170B)은, 코팅 액체 또는 가스를 냉각되고 합성된 고체 물질에 도입하기 위해, 냉각 유닛(130) 하류에 커플링될 수 있다. 대안적으로, 코팅 소스 유닛(170C)은, 수집 프로세스 동안에, 합성된 고체 물질에 코팅 물질을 부가하기 위해, 수집 유닛(140)에 커플링될 수 있다. 대안적으로, 코팅 소스 유닛(170D)은, 어닐링 동안에 코팅 물질을 도입하기 위해, 어닐링 유닛(150)에 커플링될 수 있다. 대안적으로, 시스템(100)은, 코팅 기능을 단독으로 수행하기 위해, 수집 유닛(140)과 어닐링 유닛(150) 사이에 배치된 독립적인 코팅 스테이션(160A)을 포함할 수 있다. 독립적인 코팅 스테이션(160A)은, 합성되고 수집된 고체 물질에 코팅 용액을 도입하기 위한 코팅 소스 유닛(170E)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 시스템(100)은 어닐링 프로세스 이후에 단독형 코팅 스테이션(160B)을 포함할 수 있다. 단독형 코팅 스테이션(160B)은, 어닐링된 고체 물질에 코팅 용액을 도입하기 위한 코팅 소스 유닛(170E)을 포함할 수 있다.
[0026] 혼합 유닛(110)은 생성될 고체 물질들을 위한 전구체들을 포함하는 슬러리 또는 용액을 생성하도록 구성된다. 혼합 유닛(110)은 혼합기(101), 하나 또는 그 초과의 고체 전구체들을 혼합기(101)에 공급하기 위한 전구체 소스(102), 및 용매 또는 액체 베이스를 혼합기(101)에 공급하기 위한 용매/액체 베이스 소스(103)를 포함할 수 있다. 컨테이너(104)는, 준비된 용액 또는 슬러리를 저장하기 위해, 혼합기(101)에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 코팅 소스 유닛(170A)이, 코팅 물질을 혼합기(101)에 공급하기 위해, 혼합기(101)에 커플링된다.
[0027] 캐소드 활성 물질을 제조하기 위해, 전구체 소스(102)는, 리튬, 니켈, 코발트, 철, 망간, 바나듐, 및 마그네슘의 이온들과 같은 금속 이온들을 포함하는 전구체들을 포함할 수 있다. 예시적인 일 실시예에서, 리튬, 니켈, 망간, 코발트, 및 철이 사용된다. 금속 이온들은, 반응성 종을 산출하기 위해 적절한 조건들 하에서 분해될 수 있는 음이온들을 갖는 염들(salts)의 형태일 수 있다. 그러한 음이온들은 질산염, 아질산염, 인산염, 아인산염, 포스포네이트(phosphonate), 황산염, 아황산염, 술폰산염, 탄산염, 중탄산염(bicarbonate), 붕산염, 및 이들의 혼합물들 또는 조합들(combinations)과 같은 무기 음이온들을 포함한다. 아세트산염, 옥살산염, 구연산염(citrate), 타르타르산염, 말레산염, 에타노에이트(ethanoate), 부타노에이트(butanoate), 아크릴산염, 벤조산염, 및 다른 유사한 음이온들, 또는 이들의 혼합물들 또는 조합들과 같은 유기 이온들이 또한, 무기 음이온들 대신에 또는 무기 음이온들과 조합하여 사용될 수 있다.
[0028] 전구체 소스(102)는 또한, 비정질 탄소 입자들을 형성하기 위해, 전구체들 같은, 탄소 함유 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 비정질 탄소 입자들은 캐소드 활성 물질의 입자들 주변에 응집(agglomerate)할 수 있고, 궁극적으로 배터리-활성 입자들과 함께 증착될 수 있으며, 몇몇 경우들에서 밀도 및 다공성 장점들과 함께, 증착된 매체의 개선된 전도율을 제공할 수 있다.
[0029] 전구체 소스(102)는 또한, 액적들로부터 균일한 핵들(nuclei)을 형성하는 것을 용이하게 하기 위해, 질소 함유 화합물들을 포함할 수 있고, 이에 의해, 캐소드 활성 물질의 고체 구형 입자들이 획득된다. 그러한 화합물들은 요소(urea), 질산 암모늄, 글리신 및 암모니아를 포함할 수 있다.
[0030] 용매/액체 베이스 소스(103)는 물, 알코올(alcohols), 케톤(ketones), 알데히드(aldehydes), 카복실산(carboxylic acids), 아민(amines), 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 포름알데히드, 아세트알데히드, 아세트산, 말레산, 말레산 무수물, 벤조산, 아세트산 에틸, 아세트산 비닐, 디메틸포름아미드, 디메틸술폭시드(dimethylsulfoxide), 벤젠, 톨루엔, 및 경 파라핀(light paraffins), 또는 이들의 혼합물들을 포함할 수 있다.
[0031] 코팅 소스 유닛(170A)으로부터 공급되는 코팅 물질은, Al2O3, AlF3, LiAlO2, AlPO4, ZrO2, ZrF4, SiO2, SnO2, MgO와 같은 케미칼 코팅의 얇은 층을 캐소드 활성 물질의 표면들 상에 형성하기 위한 전구체들을 포함할 수 있다. 시스템(100)에 의해 생성된 캐소드 활성 물질이 코팅 물질의 중량에 3% 미만을 포함하도록, 코팅 전구체의 적합한 양이 도입될 수 있다. 일 실시예에서, 코팅 소스 유닛(170A)은, Al2O3를 포함하는 코팅 물질을 캐소드 활성 물질 상에 형성하기 위해, 알루미늄 알킬 또는 Al(NO3)3 를 포함하는 전구체를 포함할 수 있다.
[0032] 액적 생성기(112)는 물질들을 파우더 형태로 생성하기 위해 액적들을 생성하도록 구성된다. 액적 생성기(112)는 분산 부재(107)를 포함할 수 있다. 분산 부재(107)는 아토마이저(atomizer), 네블라이저(nebulizer), 또는 균일한 크기를 갖는 작은 액적들을 생성하도록 동작 가능한 단분산(monodispersion) 또는 반(semi)-단분산 액적 생성기일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 분산 부재(107)는, 액적들을 건조기(114) 내에 분산시키기 위해, 건조기(114) 내에 배치될 수 있다. 액적 생성기(112)는 또한, 컨테이너(104)로부터 분산 부재(107)로 가압된 유동을 생성하도록 구성된 펌프(105)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 필터(106)가 펌프(105)와 분산 부재(107) 사이에 커플링될 수 있다. 일 실시예에서, 분산 부재(107)로부터 나오는 액적들의 일부 분리를 제공하기 위해, 필터(113)를 통해서, 필터링된 공기의 유동이 분산 부재(107)에 제공될 수 있다.
[0033] 건조기(114) 및 반응기(116)는, 건조기(114)가 반응기(116) 위에 있는 타워를 형성한다. 건조기(114)는 내측 용적(115)을 정의할 수 있다. 분산 부재(107)는 용액/슬러리로부터 생성된 액적들을 내측 용적(115)에 분산시키도록 배치될 수 있다. 가열된 공기의 유동(118)은, 액적들을 가열시키고 액적들로부터의 액체의 일부 또는 전부를 증발시키기 위해, 내측 용적(115)으로 전달될 수 있다. 일 실시예에서, 가열된 공기의 유동(118)은 필터(111)로부터 가열기(108)로 공급될 수 있고 그런 후에 샤워헤드(109)를 통해서 내측 용적(115)으로 공급될 수 있다.
[0034] 액적들로부터의 액체의 일부 또는 전부를 증발시키는, 건조기(114)에서의 가열된 공기의 유동(118)은, 반응기(116)의 유입구에서의 주위 온도 부근으로부터, 반응기(116)의 출구에서의 500℃ 또는 그 미만의 반응 온도 부근까지, 액적들의 온도를 상승시키고, 입자들이 나오도록 초래한다. 건조기(114)를 빠져나오는 중간 물질은, 건조기(114)에서 수행된 건조의 정도에 따라, 가스 스트림에 비말동반된(entrained) 입자들의 건조한(dry) 파우더, 가스 스트림에 비말동반된 입자들의 습한(moist) 파우더, 가스 스트림에 비말동반된 입자들 및 액체 액적들의 집합, 또는 가스 스트림에 비말동반된 액체 액적들의 집합일 수 있다. 입자들은 나노-크기의 입자들 또는 마이크로-크기의 입자들, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 입자들은, 액체 전구체 물질로부터 침강된 금속염의 입자들, 캐소드 활성 물질로의 금속 이온들의 부분적인 변환을 나타내는, 혼합된 금속염 및 산소의 입자들, 및 주로 금속 이온들 및 산소를 포함하는, 캐소드 활성 물질로 완전하게 변환된 입자들일 수 있다.
[0035] 반응기(116)는 금속 이온들을 캐소드 활성 물질들로 변환하도록 구성된다. 반응기(116)는 건조기(114)로부터의 중간 물질이 반응하고, 원하는 고체 물질로 합성되기 위한 내측 용적(117)을 포함한다. 중간 물질의 조성에 따라, 반응기(116)에서의 반응 온도는 변할 수 있다. 일 실시예에서, 반응 온도는 약 1000℃일 수 있다. 다른 실시예에서, 반응 온도는 약 500℃ 미만, 예를 들어 약 400℃ 미만일 수 있다. 원하는 온도들에서 반응을 수행하기 위해, 반응기(116)는 온도 제어 수단, 예컨대, 가열기들 및/또는 냉각 덕트들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 반응기(116)는, 반응기(116)의 내측 용적(117)이 건조기(114)의 내측 용적(115)과 연결되도록, 건조기(114) 아래에 수직으로 포지셔닝될 수 있다. 일 실시예에서, 반응기(116)는 내측 용적(117)에 배치된 복수의 가열 요소(119) 및 단열(thermally insulating) 벽(121)을 갖는 노(furnace)일 수 있다.
[0036] 냉각 유닛(130)은 반응기(116)의 내측 용적(117) 아래에 포지셔닝될 수 있다. 동작 동안에, 혼합물의 유동은 반응기의 내측 용적(117)을 빠져나가고 냉각 유닛(130)에 진입한다. 혼합물의 유동은 캐소드 활성 물질들의 입자들, 배기 가스들, 및 불활성 가스들을 주로 포함할 수 있다. 반응기(116)에서의 반응은 고온에서 발생할 수 있고, 혼합물의 유동은 내측 용적(117)을 빠져나간다.
[0037] 냉각 유닛(130)은, 외측 벽에 의해 전도되는 열을 제거하기 위해, 이송 채널(134)의 외측 벽에 적용되는 냉각 수단(132)을 포함할 수 있다. 냉각 수단(132)은 외측 표면에 걸쳐 유동되는 가스일 수 있거나, 또는 냉각 유체를 갖는 냉각 자켓이 적용될 수 있다. 건조한 가스(136)의 소스가 냉각 유닛(130) 내에 유체적으로 커플링되어, 냉각 유닛이 냉각시킬 때 혼합물의 습도를 제어할 수 있다.
[0038] 일 실시예에서, 코팅 소스 유닛(170B)은 냉각 유닛(130) 하류의 이송 채널(134)에 커플링될 수 있다. 코팅 소스 유닛(170B)은, 파우더의 입자들 상에 얇은 코팅을 형성하기 위해, 이송 채널(134)의 고체 물질들의 냉각된 파우더에 코팅 액체 또는 코팅 가스를 전달할 수 있다. 코팅 소스 유닛(170B)으로부터 공급된 코팅 액체 또는 코팅 가스는, Al2O3, AlF3, LiAlO2, AlPO4, ZrO2, ZrF4, SiO2, SnO2, MgO와 같은 케미칼 코팅의 얇은 층을 캐소드 활성 물질의 표면들 상에 형성하기 위한 액체 또는 가스 형태의 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 코팅 소스 유닛(170B)은, Al2O3를 포함하는 코팅 물질을 캐소드 활성 물질 상에 형성하기 위해, 액상/기상(liquid/gas phase)의 Al(NO3)3 또는 알루미늄 알킬을 포함할 수 있다.
[0039] 수집 유닛(140)은, 캐소드 활성 물질의 냉각된 파우더와 같은 고체 물질의 냉각된 파우더를 수집하기 위해, 이송 채널(134)에 커플링된다. 수집 유닛(140)은 입자 수집기(142) 및 입자 컨테이너(144)를 포함할 수 있다. 입자 수집기(142)는, 사이클론(cyclone) 또는 다른 원심 수집기, 정전식 수집기, 또는 필터형 수집기와 같은 임의의 적합한 입자 수집기일 수 있다. 수집 유닛(140)은 파우더로부터 가스 버블들을 제거하고 균일한 텍스쳐의 고체 물질을 생성한다.
[0040] 일 실시예에서, 코팅 소스 유닛(170C)은 입자 수집기(142)에 커플링될 수 있다. 코팅 소스 유닛(170C)은, 입자 수집 프로세스 동안에 파우더의 입자들 상에 얇은 코팅을 형성하기 위해, 코팅 물질을 입자 수집기(142)에 전달할 수 있다. 예를 들어, 코팅 소스 유닛(170C)은 코팅 물질의 필름을 입자 수집기(142)의 내측 표면 상에 형성할 수 있고, 이에 의해, 수집 프로세스 동안 입자들이 입자 수집기(142)의 내측 벽들에 물리적으로 접촉하고 그러한 벽들을 스크래칭할 때, 입자들 상에 코팅이 형성된다. 코팅 소스 유닛(170C)으로부터 공급되는 코팅 물질은, Al2O3, AlF3, LiAlO2, AlPO4, ZrO2, ZrF4, SiO2, SnO2, MgO와 같은 케미칼 코팅의 얇은 층을 캐소드 활성 물질의 표면들 상에 형성하기 위한 물질을 포함할 수 있다.
[0041] 어닐링 유닛(150)은 어닐링 프로세스를 위해 고체 물질의 수집된 입자들을 수용하기 위해 입자 컨테이너(144)에 커플링될 수 있다. 어닐링 프로세스는 수집된 고체 물질을 원하는 결정 구조로 변형시키고 물질의 전기화학적 특성들을 개선시킨다. 어닐링 유닛(150)은 공기 필터(152), 펌프(154), 가열기(156), 및 어닐링 컨테이너(158)를 포함할 수 있다. 어닐링 컨테이너(158)는, 수집된 고체 물질을 수용하기 위해, 수집 유닛(140)의 입자 컨테이너(144)에 커플링된다. 일 실시예에서, 수집된 입자들을 입자 컨테이너(144)로부터 어닐링 컨테이너(158)로 선택적으로 유동시키기 위해, 밸브(146)가 입자 컨테이너(144)와 어닐링 유닛(150) 사이에 배치될 수 있다. 공기 필터(152), 펌프(154) 및 가열기(156)는, 어닐링을 위해, 필터링된 가열된 공기의 유동을 어닐링 컨테이너(158)로 제공하도록 선형적으로(linearly) 정렬된다. 어닐링 컨테이너(158)는 추가적인 프로세스 또는 패키징을 위해, 어닐링된 고체 물질을 분배하기 위한 배출구를 추가적으로 포함한다.
[0042] 일 실시예에서, 코팅 소스 유닛(170D)은 어닐링 컨테이너(158)에 커플링될 수 있다. 코팅 소스 유닛(170D)은, 어닐링 프로세스 동안 얇은 코팅을 파우더의 입자들 상에 형성하기 위해, 코팅 액체 또는 코팅 가스를 어닐링 컨테이너(158)에 전달할 수 있다. 코팅 소스 유닛(170D)으로부터 공급된 코팅 액체 또는 코팅 가스는, Al2O3, AlF3, LiAlO2, AlPO4, ZrO2, ZrF4, SiO2, SnO2, MgO와 같은 케미칼 코팅의 얇은 층을 캐소드 활성 물질의 표면들 상에 형성하기 위한 액체 또는 가스 형태의 물질을 포함할 수 있다.
[0043] 상기 논의된 바와 같이, 코팅은, 연속적인 흐름 중 하나의 스테이지에 통합된 코팅 소스 유닛(170A, 170B, 170C, 또는 170D)에 의해서, 시스템(100)에 의해 생성된 고체 물질에 부가될 수 있다. 이러한 실시예들은 기존의 고체 물질 생성 시스템들 또는 배열체에 새로 장착하기에 적합하다. 대안적으로, 코팅은 독립적인 유닛에서 형성될 수 있다. 독립적인 유닛은, 코팅 스테이션(160A)과 같은, 어닐링 유닛(150) 상류에 커플링된 코팅 스테이션일 수 있다. 독립적인 유닛은, 코팅 스테이션(160B)과 같은, 어닐링 유닛(150) 하류에서 코팅을 수행하도록 구성된 단독형 스테이션일 수 있다.
[0044] 독립적인 코팅 스테이션(160A)은 코팅 프로세스를 수행하기 위한 코팅 컨테이너(162) 및 코팅 컨테이너(162)에 연결된 코팅 소스 유닛(170E)을 포함할 수 있다. 코팅 스테이션(160A)은, 코팅을 형성하기 위해, 코팅 컨테이너(162)에서의 침강 반응들을 수행할 수 있다. 예를 들어, 코팅될 고체 물질의 입자들은, 코팅을 위한 반응들을 수행하기 위해, 코팅 물질의 용액에 부유될 수 있다(suspended). 코팅 소스 유닛(170E)은, 캐소드 활성 물질의 표면들 상에 Al2O3, AlF3, LiAlO2, AlPO4, ZrO2, ZrF4, SiO2, SnO2, MgO와 같은 코팅을 형성하기 위한 케미칼들의 용액들을 전달할 수 있다. 일 실시예에서, 코팅 소스 유닛(170E)은, Al2O3를 포함하는 코팅 물질을 캐소드 활성 물질 상에 형성하기 위해, 알루미늄 알킬 또는 Al(NO3)3 의 용액을 코팅 컨테이너(162)에 전달할 수 있다.
[0045] 단독형 코팅 스테이션(160B)은, 단독형 코팅 스테이션(160B)이 시스템(100)에 직접 연결되지 않는다는 점을 제외하고, 독립적인 코팅 스테이션(160A)과 유사하다. 단독형 코팅 스테이션은 코팅 프로세스를 수행하기 위한 코팅 컨테이너(164) 및 코팅 컨테이너(164)에 연결된 코팅 소스 유닛(170F)을 포함할 수 있다. 고체 물질은, 합성이 완료된 후에, 단독형 코팅 스테이션(160B)에서 코팅될 수 있다. 예를 들어, 어닐링 유닛(150)의 배출구(159)로부터의 고체 물질은 코팅을 위해 코팅 컨테이너(164)로 이송될 수 있다. 코팅 소스 유닛(170F)은, 캐소드 활성 물질의 표면들 상에 Al2O3, AlF3, LiAlO2, AlPO4, ZrO2, ZrF4, SiO2, SnO2, MgO와 같은 코팅을 형성하기 위한 케미칼들의 용액들을 전달할 수 있다. 일 실시예에서, 코팅 소스 유닛(170F)은, Al2O3를 포함하는 코팅 물질을 캐소드 활성 물질 상에 형성하기 위해, 알루미늄 알킬 또는 Al(NO3)3 의 용액을 코팅 컨테이너(164)에 전달할 수 있다.
[0046] 도 2a는 본 개시물의 일 실시예에 따른, 코팅을 갖는 캐소드 활성 물질들을 형성하기 위한 방법(200)의 흐름도이다. 방법(200)에서, 합성 프로세스 동안 코팅 전구체가 입자들의 표면 상에서 분리될 때(segregated), 코팅 물질은 전구체들과 직접 혼합되고, 얇은 코팅이 캐소드 활성 물질과 같은 고체 물질의 입자들 상에 형성된다. 방법(200)은 혼합 유닛(110)에 부착된 코팅 소스 유닛(170A)을 갖는 시스템(100)을 사용하여 수행될 수 있다.
[0047] 박스(201)에서, 코팅 케미칼들 또는 코팅 전구체들은, 시스템(100)의 혼합 유닛(110)과 같은 혼합 유닛에서, 전구체 용액 또는 전구체 혼합물에 도입될 수 있다. 전구체 용액 또는 전구체 혼합물은, 연속적인 흐름의 프로세스에 의해, 얇은 코팅을 갖는 캐소드 활성 물질의 입자들을 형성하도록 구성된 코팅 전구체 및 금속 이온들을 포함한다. 코팅 전구체는, Al2O3, AlF3, LiAlO2, AlPO4, ZrO2, ZrF4, SiO2, SnO2, MgO 중 하나 또는 그 초과를 포함하는 얇은 필름을 형성하기에 적합한 하나 또는 그 초과의 케미칼들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 코팅 전구체는, Al2O3를 포함하는 코팅 물질을, 형성될 캐소드 활성 물질 상에 형성하기 위해, Al(NO3)3 또는 알루미늄 알킬을 포함한다. 전구체 용액 또는 전구체 혼합물에서의 코팅 전구체의 비율은, 생성된 캐소드 활성 물질의 중량의 3% 미만이 코팅이 되도록, 설정된다.
[0048] 박스(202)에서, 박스(201)에서 형성된 전구체 용액 또는 전구체 혼합물은 합성 섹션으로 유동되고, 코팅을 갖는 입자들로 합성된다. 방법(200)이 시스템(100)에서 수행되는 경우, 합성 프로세스는 액적 생성기(112), 건조기(114) 및 반응기(116)를 사용하여 수행될 수 있다. 합성 프로세스 동안, 코팅 전구체는 분리되고, 형성되는 고체 물질의 입자들의 표면들 상에 형성된다.
[0049] 박스(203)에서, 상부에 형성된 코팅을 갖는 입자들은 냉각 유닛(130)과 같은 냉각 유닛에서 냉각되고, 이송 채널(134)과 같은 이송 수단을 통해 이송된다.
[0050] 박스(204)에서, 상부에 형성된 코팅을 갖는 냉각된 입자들은, 시스템(100)의 수집 유닛(140)과 같은 수집 유닛으로 전달되어 포획된다(captured). 포획 프로세스는 임의의 적합한 수집기에 의해 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 포획 프로세스는 사이클론 입자 포획 프로세스이다.
[0051] 박스(205)에서, 코팅을 갖는 포획된 입자들은 어닐링 유닛 하류로 유동하여 어닐링된다.
[0052] 도 2b는 본 개시물의 일 실시예에 따른, 코팅을 갖는 캐소드 활성 물질들을 형성하기 위한 방법(210)의 흐름도이다. 방법(210)에서, 코팅은 합성 이후 입자 이송 동안에 형성된다. 입자들이 타겟 온도에 도달할 때, 액상 또는 기상의 코팅 전구체가, 예를 들어, 스프레잉에 의해, 합성된 입자들에 도입되고, 따라서 입자들 상에 코팅을 형성한다. 방법(210)은 냉각 유닛(130)에 부착된 코팅 소스 유닛(170B)을 갖는 시스템(100)을 사용하여 수행될 수 있다.
[0053] 박스(211)에서, 시스템(100)의 혼합 유닛(110)과 같은 혼합 유닛에 전구체 용액 또는 전구체 혼합물이 있다. 전구체 용액 또는 혼합물은 캐소드 활성 물질을 형성하기 위해 금속 이온들을 포함할 수 있다.
[0054] 박스(212)에서, 박스(211)에서 형성된 전구체 용액 또는 전구체 혼합물은 합성 섹션으로 유동되고, 코팅을 갖는 입자들로 합성된다. 방법(210)이 시스템(100)에서 수행되는 경우, 합성 프로세스는 액적 생성기(112), 건조기(114) 및 반응기(116)를 사용하여 수행될 수 있다.
[0055] 박스(213)에서, 입자들은 냉각 유닛(130)과 같은 냉각 유닛으로 유동되어 냉각되고, 이송 채널(134)과 같은 이송 수단을 통해 이송된다.
[0056] 박스(214)에서, 코팅 케미칼들 또는 코팅 전구체들은, 입자들 상에 코팅을 형성하기 위해, 이송 채널(134)과 같은 이송 채널에서 유동하는 동안, 냉각된 입자들에 도입될 수 있다.
[0057] 도 3은 방법(210)의 박스(214)에 따른, 캐소드 활성 물질을 코팅하기 위한 반응을 개략적으로 예시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 입자들(302)의 유동은 반응기(116)로부터 냉각 유닛(130)으로 빠져나간다. 일 실시예에서, 입자들(302)의 유동을 냉각시키기 위해, 냉각 공기(303)가 냉각 유닛(130)에서 사용될 수 있다. 냉각된 입자들(304)의 유동이 이송 채널(134)로 계속됨에 따라, 코팅 케미칼 또는 전구체(306)의 유동이 코팅 소스 유닛(170B)으로부터 이송 채널(134)로 도입된다. 코팅 케미칼 또는 전구체(306)와 냉각된 입자들(304)이 반응하여, 코팅된 입자들(308)의 유동을 형성한다.
[0058] 코팅 케미칼 또는 전구체는, Al2O3, AlF3, LiAlO2, AlPO4, ZrO2, ZrF4, SiO2, SnO2, MgO 중 하나 또는 그 초과를 포함하는 얇은 필름을 형성하기에 적합한 하나 또는 그 초과의 케미칼들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 코팅 전구체는, 형성될 캐소드 활성 물질 상에 Al2O3를 포함하는 코팅 물질을 형성하기 위해, Al(NO3)3 또는 알루미늄 알킬을 포함한다.
[0059] 방법(210)의 박스(215)에서, 상부에 형성된 코팅을 갖는 냉각된 입자들은 시스템(100)의 수집 유닛(140)과 같은 수집 유닛으로 전달되어 포획된다. 포획 프로세스는 임의의 적합한 수집기에 의해 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 포획 프로세스는 사이클론 입자 포획 프로세스이다.
[0060] 박스(216)에서, 코팅을 갖는 포획된 입자들은 어닐링 유닛 하류로 유동하여 어닐링된다.
[0061] 도 2c는 본 개시물의 일 실시예에 따른, 코팅을 갖는 캐소드 활성 물질들을 형성하기 위한 방법(220)의 흐름도이다. 방법(220)에서, 코팅은 합성 이후 입자 수집 동안에 형성된다. 일 실시예에서, 입자 수집기의 내측 표면 상에 코팅 물질의 필름이 있고, 이로써, 수집 프로세스 동안 입자들이 입자 수집기의 내측 벽들에 물리적으로 접촉하고 그러한 벽들을 스크래칭할 때, 입자들 상에 코팅이 형성된다. 방법(220)은, 수집 유닛(140)에 부착된 코팅 소스 유닛(170C)을 갖는 시스템(100)을 사용하여 수행될 수 있다.
[0062] 박스(221)에서, 전구체 용액 또는 전구체 혼합물은 시스템(100)의 혼합 유닛(110)과 같은 혼합 유닛에 있다. 전구체 용액 또는 혼합물은 캐소드 활성 물질을 형성하기 위해 금속 이온들을 포함할 수 있다.
[0063] 박스(222)에서, 박스(221)에서 형성된 전구체 용액 또는 전구체 혼합물은 합성 섹션으로 유동되고, 코팅을 갖는 입자들로 합성된다. 방법(220)이 시스템(100)에서 수행되는 경우, 합성 프로세스는 액적 생성기(112), 건조기(114) 및 반응기(116)를 사용하여 수행될 수 있다.
[0064] 박스(223)에서, 입자들은 냉각 유닛(130)과 같은 냉각 유닛으로 유동되어 냉각되고, 이송 채널(134)과 같은 이송 수단을 통해 이송된다.
[0065] 박스(224)에서, 상부에 형성된 코팅을 갖는 냉각된 입자들은, 시스템(100)의 수집 유닛(140)과 같은 수집 유닛으로 전달되어 포획된다. 포획 프로세스는 임의의 적합한 수집기에 의해 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 포획 프로세스는 사이클론 입자 포획 프로세스이고, 수집 프로세스 동안 입자들이 입자 수집기의 내측 벽들에 물리적으로 접촉하고 그러한 벽들을 스크래칭할 때, 입자들 상에 코팅이 형성되도록, 입자 수집기의 내측 표면 상에 코팅 물질의 필름을 적용함으로써, 코팅이 적용될 수 있다. 코팅 물질의 필름은, 수집 유닛(140)에 커플링된 코팅 소스 유닛(170C)으로부터 코팅 물질을 공급함으로써 입자 수집기의 내측 표면에 적용될 수 있다.
[0066] 박스(225)에서, 코팅을 갖는 포획된 입자들은 어닐링 유닛 하류로 유동하여 어닐링된다.
[0067] 도 2d는 본 개시물의 일 실시예에 따른, 코팅을 갖는 캐소드 활성 물질들을 형성하기 위한 방법(230)의 흐름도이다. 방법(230)에서, 코팅은 합성 이후 어닐링 동안에 형성된다. 입자들이 타겟 온도에 도달할 때, 액상 또는 기상의 코팅 전구체가, 예를 들어, 스프레잉에 의해, 합성된 입자들에 도입되고, 따라서 입자들 상에 코팅을 형성한다. 방법(230)은, 어닐링 유닛(150)에 부착된 코팅 소스 유닛(170D)을 갖는 시스템(100)을 사용하여 수행될 수 있다.
[0068] 박스(231)에서, 전구체 용액 또는 전구체 혼합물은 시스템(100)의 혼합 유닛(110)과 같은 혼합 유닛에 있다. 전구체 용액 또는 혼합물은 캐소드 활성 물질을 형성하기 위해 금속 이온들을 포함할 수 있다.
[0069] 박스(232)에서, 박스(231)에서 형성된 전구체 용액 또는 전구체 혼합물은 합성 섹션으로 유동되고, 코팅을 갖는 입자들로 합성된다. 방법(230)이 시스템(100)에서 수행되는 경우, 합성 프로세스는 액적 생성기(112), 건조기(114) 및 반응기(116)를 사용하여 수행될 수 있다.
[0070] 박스(233)에서, 입자들은 냉각 유닛(130)과 같은 냉각 유닛으로 유동되어 냉각되고, 이송 채널(134)과 같은 이송 수단을 통해 이송된다.
[0071] 박스(234)에서, 냉각된 입자들은, 시스템(100)의 수집 유닛(140)과 같은 수집 유닛으로 전달되어 포획된다. 포획 프로세스는 임의의 적합한 수집기에 의해 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 포획 프로세스는 사이클론 입자 포획 프로세스이다.
[0072] 박스(235)에서, 포획된 입자들은 코팅 소스 유닛을 갖는 어닐링 유닛 하류로 유동하여 어닐링되고 동시에 코팅된다. 일 실시예에서, 입자들이 타겟 온도에 도달할 때, 액상 또는 기상의 코팅 전구체가, 예를 들어, 스프레잉에 의해, 어닐링 유닛의 입자들에 도입되고, 따라서 입자들 상에 코팅을 형성한다.
[0073] 도 2e는 본 개시물의 일 실시예에 따른, 코팅을 갖는 캐소드 활성 물질들을 형성하기 위한 방법(240)의 흐름도이다. 방법(240)에서, 코팅은, 수집 유닛 이후 그리고 어닐링 유닛 이전에 배치된 독립적인 코팅 스테이션에서 형성된다. 독립적인 코팅 스테이션은 용액 침강 반응에 의해 입자들 상에 코팅을 수행할 수 있다. 예를 들어, 코팅될 고체 물질의 입자들은, 코팅을 위한 반응들을 수행하기 위해, 코팅 물질의 용액에 부유될 수 있다. 방법(240)은, 어닐링 유닛(150) 이전에 커플링된 독립적인 코팅 스테이션(160A)을 갖는 시스템(100)을 사용하여 수행될 수 있다.
[0074] 박스(241)에서, 전구체 용액 또는 전구체 혼합물은 시스템(100)의 혼합 유닛(110)과 같은 혼합 유닛에 있다. 전구체 용액 또는 혼합물은 캐소드 활성 물질을 형성하기 위해 금속 이온들을 포함할 수 있다.
[0075] 박스(242)에서, 박스(241)에서 형성된 전구체 용액 또는 전구체 혼합물은 합성 섹션으로 유동되고, 코팅을 갖는 입자들로 합성된다. 방법(240)이 시스템(100)에서 수행되는 경우, 합성 프로세스는 액적 생성기(112), 건조기(114) 및 반응기(116)를 사용하여 수행될 수 있다.
[0076] 박스(243)에서, 입자들은 냉각 유닛(130)과 같은 냉각 유닛으로 유동되어 냉각되고, 이송 채널(134)과 같은 이송 수단을 통해 이송된다.
[0077] 박스(244)에서, 냉각된 입자들은, 시스템(100)의 수집 유닛(140)과 같은 수집 유닛으로 전달되어 포획된다. 포획 프로세스는 임의의 적합한 수집기에 의해 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 포획 프로세스는 사이클론 입자 포획 프로세스이다.
[0078] 박스(245)에서, 수집된 입자는 독립적인 코팅 스테이션(160A)과 같은 독립적인 코팅 스테이션으로 유동하고, 여기서, 코팅 프로세스가 수행된다. 일 실시예에서, 코팅 프로세스는 용액 침강 반응에 의해 수행될 수 있다. 코팅될 고체 물질의 입자들은, 코팅된 입자들을 초래하는 침강 프로세스를 수행하기 위해, 코팅 물질의 용액에 부유될 수 있다. 코팅 소스 유닛(170E)은, 캐소드 활성 물질의 표면들 상에 Al2O3, AlF3, LiAlO2, AlPO4, ZrO2, ZrF4, SiO2, SnO2, MgO와 같은 코팅을 형성하기 위한 케미칼들의 용액들을 전달할 수 있다. 일 실시예에서, 코팅 소스 유닛(170E)은, Al2O3를 포함하는 코팅 물질을 캐소드 활성 물질 상에 형성하기 위해, 알루미늄 알킬 또는 Al(NO3)3 의 용액을 코팅 컨테이너(162)에 전달할 수 있다.
[0079] 박스(246)에서, 코팅된 입자들은 어닐링 유닛 하류로 유동하여 어닐링된다.
[0080] 도 2f는 본 개시물의 일 실시예에 따른, 코팅을 갖는 캐소드 활성 물질들을 형성하기 위한 방법(250)의 흐름도이다. 방법(250)에서, 코팅은, 시스템(100)과 같은 입자 생성 시스템에서 고체 물질이 형성된 이후, 단독형 코팅 스테이션에서, 고체 물질의 입자들 상에 형성된다. 단독형 코팅 스테이션은 용액 침강 반응에 의해 입자들 상에 코팅을 수행할 수 있다. 예를 들어, 코팅될 고체 물질의 입자들은, 코팅을 위한 반응들을 수행하기 위해, 코팅 물질의 용액에 부유될 수 있다. 방법(250)은, 도 1에 설명된 바와 같은 단독형 코팅 스테이션(160B)을 사용하여 수행될 수 있다.
[0081] 박스(251)에서, 전구체 용액 또는 전구체 혼합물은 시스템(100)의 혼합 유닛(110)과 같은 혼합 유닛에 있다. 전구체 용액 또는 혼합물은 캐소드 활성 물질을 형성하기 위해 금속 이온들을 포함할 수 있다.
[0082] 박스(252)에서, 박스(251)에서 형성된 전구체 용액 또는 전구체 혼합물은 합성 섹션으로 유동되고, 코팅을 갖는 입자들로 합성된다. 방법(250)이 시스템(100)에서 수행되는 경우, 합성 프로세스는 액적 생성기(112), 건조기(114) 및 반응기(116)를 사용하여 수행될 수 있다.
[0083] 박스(253)에서, 입자들은 냉각 유닛(130)과 같은 냉각 유닛으로 유동되어 냉각되고, 이송 채널(134)과 같은 이송 수단을 통해 이송된다.
[0084] 박스(254)에서, 냉각된 입자들은, 시스템(100)의 수집 유닛(140)과 같은 수집 유닛으로 전달되어 포획된다. 포획 프로세스는 임의의 적합한 수집기에 의해 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 포획 프로세스는 사이클론 입자 포획 프로세스이다.
[0085] 박스(255)에서, 수집된 입자들은 어닐링 유닛 하류로 유동되어 어닐링된다.
[0086] 박스(256)에서, 어닐링된 입자들은 단독형 코팅 스테이션(160B)과 같은 단독형 코팅 스테이션으로 유동하고, 여기서, 코팅 프로세스가 수행된다. 일 실시예에서, 코팅 프로세스는 용액 침강 반응에 의해 수행될 수 있다. 코팅될 고체 물질의 입자들은, 코팅된 입자들을 초래하는 침강 프로세스를 수행하기 위해, 코팅 물질의 용액에 부유될 수 있다. 코팅 소스 유닛(170F)은, 캐소드 활성 물질의 표면들 상에 Al2O3, AlF3, LiAlO2, AlPO4, ZrO2, ZrF4, SiO2, SnO2, MgO와 같은 코팅을 형성하기 위한 케미칼들의 용액들을 전달할 수 있다. 일 실시예에서, 코팅 소스 유닛(170F)은, Al2O3를 포함하는 코팅 물질을 캐소드 활성 물질 상에 형성하기 위해, 알루미늄 알킬 또는 Al(NO3)3 의 용액을 코팅 컨테이너(164)에 전달할 수 있다.
[0087] 본 개시물의 실시예들에 따라 형성된 캐소드 활성 물질들은 전통적인 방법들에 의해 형성된 캐소드 물질들에 비해 장점들을 보여주었다. 특히, 본 실시예에 따른 캐소드 활성 물질들은 도 4a-4c에서 도시된 바와 같은 개선된 사이클 성능을 보여주었다.
[0088] 도 4a는 다양한 캐소드 활성 물질들을 갖는 배터리들의 제 1 사이클 충전/방전 곡선들을 도시하는 그래프이다. 곡선(401)은 종래의 방법으로 합성된 캐소드 활성 물질의 제 1 사이클 충전/방전이다. 곡선(402)은, 어떠한 코팅도 없는, 도 1에 설명된 바와 같은 연속적인 흐름의 방법에 의해 형성된 캐소드 활성 물질의 제 1 사이클 충전/방전이다. 곡선(403)은, 본 개시물의 실시예에 따른, 스프레잉된 코팅을 갖는, 연속적인 흐름의 방법에 의해 형성된 캐소드 활성 물질의 제 1 사이클 충전/방전이다. 곡선(401)에 대응하는, 종래의 방법으로 합성된 생성물은 가장 큰 비가역 용량(largest irreversible capacity)을 보여준다. 곡선(403)에 대응하는 스프레잉된 샘플은 가장 낮은 비가역 용량을 보여준다.
[0089] 도 4b는 다양한 캐소드 활성 물질들을 갖는 배터리들의 제 2 사이클 충전/방전 곡선들을 도시하는 그래프이다. 곡선(404)은 종래의 방법으로 합성된 캐소드 활성 물질의 제 2 사이클 충전/방전이다. 곡선(405)은, 어떠한 코팅도 없는, 연속적인 흐름의 방법에 의해 형성된 캐소드 활성 물질의 제 2 사이클 충전/방전이다. 곡선(406)은, 본 개시물의 실시예에 따른, 스프레잉된 코팅을 갖는, 연속적인 흐름의 방법에 의해 형성된 캐소드 활성 물질의 제 2 사이클 충전/방전이다. 곡선(406)에 대응하는 스프레잉된 샘플이 가장 높은 충전 및 방전 용량을 보여준다.
[0090] 도 4c는 다양한 캐소드 활성 물질들을 갖는 배터리들의 사이클 성능을 도시하는 그래프이다. 곡선(407)은 종래의 방법으로 합성된 캐소드 활성 물질의 비용량(specific capacity)이다. 곡선(408)은, 어떠한 코팅도 없는, 연속적인 흐름의 방법에 의해 형성된 캐소드 활성 물질의 비용량이다. 곡선(409)은, 본 개시물의 실시예에 따른, 스프레잉된 코팅을 갖는, 연속적인 흐름의 방법에 의해 형성된 캐소드 활성 물질의 비용량이다. 곡선(409)에 대응하는 스프레잉된 샘플이 가장 높은 비용량 및 용량 유지력(retention)을 보여준다.
[0091] 전술한 내용은 본 개시물의 실시예들에 관한 것이지만, 본 개시물의 다른 그리고 추가적인 실시예들은 본 개시물의 기본 범위로부터 벗어나지 않으면서 안출될 수 있다.

Claims (15)

  1. 연속적인 흐름에 의해 캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 장치로서,
    전구체들의 혼합물 또는 용액을 생성하는 혼합 유닛;
    상기 전구체들의 혼합물 또는 용액으로부터 캐소드 활성 물질의 입자들을 생성하기 위해, 상기 혼합 유닛에 커플링된 합성 유닛;
    상기 합성 유닛의 배출구에 커플링된 냉각 유닛;
    상기 냉각 유닛 하류에 커플링된 이송 채널;
    상기 캐소드 활성 물질의 입자들을 수집하기 위해, 상기 이송 채널에 연결된 수집 유닛;
    상기 캐소드 활성 물질의 입자들을 어닐링하기 위한, 상기 수집 유닛 하류의 어닐링 유닛; 및
    상기 캐소드 활성 물질의 입자들 상에 코팅을 형성하기 위해, 코팅 전구체를 제공하는 코팅 소스 유닛을 포함하고,
    상기 코팅 소스 유닛은 상기 혼합 유닛, 상기 합성 유닛, 상기 이송 채널, 상기 수집 유닛, 상기 어닐링 유닛, 상기 수집 유닛과 상기 어닐링 유닛 사이에 커플링된 독립적인 코팅 유닛, 또는 단독형(standalone) 코팅 유닛 중 하나에 배치되는,
    연속적인 흐름에 의해 캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅 소스 유닛은 상기 혼합 유닛의 혼합기에 커플링되고, 상기 혼합 유닛은 코팅 전구체를 포함하는 혼합물 또는 용액을 생성하며, 상기 합성 유닛은 상부에 형성된 코팅을 갖는 캐소드 활성 물질의 입자들을 형성하는,
    연속적인 흐름에 의해 캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅 소스 유닛은 상기 이송 채널에 커플링되고, 상기 코팅 소스 유닛은 상기 이송 채널의 캐소드 활성 물질의 입자들의 유동에 코팅 액체 또는 코팅 가스를 스프레잉하는,
    연속적인 흐름에 의해 캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅 소스 유닛은, 상기 수집 유닛의 내측 표면 상에 코팅 물질의 층을 형성하기 위해, 상기 수집 유닛에 커플링되고, 상기 캐소드 활성 물질의 입자들은, 상기 수집 유닛의 내측 표면에 접촉하는 동안 상기 코팅 물질에 의해 코팅되는,
    연속적인 흐름에 의해 캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅 소스 유닛은 상기 어닐링 유닛에 커플링되고, 상기 코팅 소스 유닛은, 어닐링 동안, 상기 어닐링 유닛의 캐소드 활성 물질의 입자들에 코팅 액체 또는 코팅 가스를 스프레잉하는,
    연속적인 흐름에 의해 캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅 소스 유닛은, 상기 캐소드 활성 물질의 입자들 위에 코팅을 형성하기 위해 코팅 반응들을 수행하는 상기 독립적인 코팅 유닛에 커플링되는,
    연속적인 흐름에 의해 캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅 소스 유닛은, 상기 캐소드 활성 물질의 입자들 위에 코팅을 형성하기 위해 코팅 반응들을 수행하기 위한 상기 단독형 코팅 유닛에 커플링되는,
    연속적인 흐름에 의해 캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 합성 유닛은 액적(droplet) 생성기, 건조기, 및 반응기를 포함하는,
    연속적인 흐름에 의해 캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 액적 생성기는 상기 건조기의 내측 용적에 배치되는,
    연속적인 흐름에 의해 캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 건조기 및 상기 반응기는, 상기 건조기가 상기 반응기 위에 있는 타워를 형성하는,
    연속적인 흐름에 의해 캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 장치.
  11. 캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 방법으로서,
    금속 이온들을 포함하는 전구체들의 혼합물 또는 용액을 형성하는 단계;
    캐소드 활성 물질의 입자들을 형성하기 위해, 상기 전구체들의 혼합물 또는 용액을 합성하는 단계;
    상기 캐소드 활성 물질의 입자들을 냉각하고 수집 유닛으로 이송하는 단계;
    상기 수집 유닛에서 상기 캐소드 활성 물질의 입자들을 수집하는 단계;
    상기 수집된 캐소드 활성 물질의 입자들을 어닐링하는 단계; 및
    상기 캐소드 활성 물질의 입자들 위에 코팅을 형성하기 위해, 코팅 전구체를 부가하는 단계를 포함하고,
    상기 코팅 전구체를 부가하는 단계는 이하의 시간들: 상기 전구체들의 혼합물 또는 용액을 형성할 때, 상기 캐소드 활성 물질의 입자들을 냉각하고 이송할 때, 상기 캐소드 활성 물질의 입자들을 수집할 때, 상기 캐소드 활성 물질의 입자들을 수집한 이후 및 어닐링하기 이전, 상기 캐소드 활성 물질의 입자들을 어닐링할 때, 및 상기 캐소드 활성 물질의 입자들을 어닐링한 이후 중 하나 동안에 수행되는,
    캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 코팅 전구체를 부가하는 단계는, 상기 전구체들의 혼합물 또는 용액을 형성하는 동안, 상기 코팅 전구체를 상기 전구체들의 혼합물 또는 용액에 도입하는 단계를 포함하고, 상기 전구체들의 혼합물 또는 용액을 합성하는 단계는 캐소드 활성 물질의 적어도 부분적으로 코팅된 입자들을 형성하는,
    캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 코팅 전구체를 부가하는 단계는, 상기 캐소드 활성 물질의 파우더를 이송하면서, 상기 캐소드 활성 물질의 입자들에 코팅 액체 또는 코팅 가스를 스프레잉하는 단계를 포함하는,
    캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 코팅 전구체를 부가하는 단계는, 상기 캐소드 활성 물질의 파우더를 어닐링하면서, 상기 캐소드 활성 물질의 입자들에 코팅 액체 또는 코팅 가스를 스프레잉하는 단계를 포함하는,
    캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 코팅 전구체를 부가하는 단계는, 상기 캐소드 활성 물질의 입자들 상에 코팅을 형성하기 위한 침강 반응들을 수행하기 위한 독립적인 코팅 스테이션에 상기 코팅 전구체를 부가하는 단계를 포함하는,
    캐소드 활성 물질을 형성하기 위한 방법.
KR1020157022584A 2013-01-24 2014-01-13 캐소드 활성 물질 코팅 KR20150108412A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361756153P 2013-01-24 2013-01-24
US61/756,153 2013-01-24
PCT/US2014/011283 WO2014116455A1 (en) 2013-01-24 2014-01-13 Cathode active material coating

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20150108412A true KR20150108412A (ko) 2015-09-25

Family

ID=51207896

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020157022584A KR20150108412A (ko) 2013-01-24 2014-01-13 캐소드 활성 물질 코팅

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20140205750A1 (ko)
JP (1) JP6564707B2 (ko)
KR (1) KR20150108412A (ko)
CN (1) CN104937747A (ko)
TW (1) TW201431159A (ko)
WO (1) WO2014116455A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10833321B2 (en) * 2015-03-06 2020-11-10 Uchicago Argonne, Llc Cathode materials for lithium ion batteries
KR101931874B1 (ko) * 2017-04-18 2018-12-21 서울과학기술대학교 산학협력단 표면 코팅된 양극 활물질의 제조방법

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5230735A (en) * 1989-09-22 1993-07-27 Nisshin Flour Milling Co., Ltd. Apparatus for coating powder particles
US6103393A (en) * 1998-02-24 2000-08-15 Superior Micropowders Llc Metal-carbon composite powders, methods for producing powders and devices fabricated from same
US5928405A (en) * 1997-05-21 1999-07-27 Degussa Corporation Method of making metallic powders by aerosol thermolysis
JP2000044206A (ja) * 1998-07-22 2000-02-15 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 酸化物粉末製造方法
JP4735617B2 (ja) * 2001-10-11 2011-07-27 三菱化学株式会社 リチウム遷移金属複合酸化物の製造方法
KR100548988B1 (ko) * 2003-11-26 2006-02-02 학교법인 한양학원 리튬이차전지용 양극활물질 제조방법, 그 방법에 사용되는반응기 및 그 방법으로 제조되는 리튬이차전지용 양극활물질
KR100822013B1 (ko) * 2005-04-15 2008-04-14 주식회사 에너세라믹 불소화합물코팅 리튬이차전지 양극 활물질 및 그 제조방법
US8445129B2 (en) * 2005-05-27 2013-05-21 Sony Corporation Cathode active material, method of manufacturing it, cathode, and battery
JP4668751B2 (ja) * 2005-09-20 2011-04-13 中外炉工業株式会社 粉体製造方法
CN101071662A (zh) * 2007-06-04 2007-11-14 傅氏国际（大连）双金属线缆有限公司 铜包铝线、铜包铝管生产工艺及其设备
JP2009164104A (ja) * 2007-09-06 2009-07-23 Canon Inc 負極用電極材料、その製造方法ならびに該材料を用いた電極構造体及び蓄電デバイス
JP5667753B2 (ja) * 2009-08-25 2015-02-12 株式会社東芝 非水電解質電池、それに用いる活物質、その製造方法、及び電池パック
KR101378125B1 (ko) * 2010-04-19 2014-03-25 주식회사 엘지화학 리튬 이차 전지용 음극 활물질, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
JP5681427B2 (ja) * 2010-09-28 2015-03-11 Ｄｏｗａホールディングス株式会社 リチウム−遷移金属酸化物粉体およびその製造方法、リチウムイオン電池用正極活物質、並びにリチウムイオン二次電池
JP2012124147A (ja) * 2010-11-15 2012-06-28 Sumitomo Chemical Co Ltd 正極活物質及びその前駆体の製造方法
JP2012136419A (ja) * 2010-12-08 2012-07-19 Mitsubishi Chemicals Corp 遷移金属系化合物の製造方法
JP2012170927A (ja) * 2011-02-23 2012-09-10 Toyota Motor Corp 電池用活物質のコーティング装置及びコーティング方法
JP2012172960A (ja) * 2011-02-24 2012-09-10 Dainippon Screen Mfg Co Ltd 乾燥装置および熱処理システム

Also Published As

Publication number Publication date
CN104937747A (zh) 2015-09-23
JP2016504748A (ja) 2016-02-12
WO2014116455A1 (en) 2014-07-31
TW201431159A (zh) 2014-08-01
JP6564707B2 (ja) 2019-08-21
US20140205750A1 (en) 2014-07-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107342392B (zh) 制备电池电极的方法
US8399065B2 (en) In-situ deposition of battery active lithium materials by thermal spraying
US9070944B2 (en) Particle synthesis apparatus and methods
EP1249047B1 (en) Electrodes including particles of specific sizes
JP6352917B2 (ja) ＳｉＯＸ粉末製造法及びＳｉＯＸ粉末製造装置
KR101550487B1 (ko) 전극 건조 방법 및 전극 건조 장치
KR20200136513A (ko) 비수성 이차 전지 부극용 활물질 및 비수성 이차 전지
JP6122841B2 (ja) バッテリー活物質合成用の前駆体調合物
JP2007188868A (ja) 電池用電極およびその製造方法、ならびに二次電池
JP6564707B2 (ja) 正極活物質コーティング
JP2014071977A (ja) リチウムイオン電池の製造方法およびリチウムイオン電池の製造装置
WO2014159118A1 (en) Apparatus and methods for synthesis of battery-active materials
KR101435657B1 (ko) 분무 열분해를 이용한 LiFePO₄의 제조방법
CN1195681C (zh) 生产锂基阴极的方法及设备
JP5374960B2 (ja) 非水電解液二次電池用電極板及びその製造方法、並びに非水電解液二次電池
TWI616020B (zh) 微粒合成之裝置及方法
CN114497505B (zh) 一种喷雾干燥连续制备正极材料的方法及装置
Terechshenko et al. Spray-pyrolysis preparation of Li4Ti5O12/Si composites for lithium-ion batteries
JP2014191959A (ja) リチウムイオン電池の製造方法および製造装置
WO2012026952A1 (en) In-situ synthesis and deposition of battery active lithium materials by spraying
TW202335347A (zh) 用於鋰離子電池陰極材料的修復、再生及改進的系統與方法
TW201523982A (zh) 材料製造設備
TW201321304A (zh) 鋰鈦氧化物之製備方法及其裝置

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application