用于制备三元阴极材料的方法和设备
阅读说明：本技术 用于制备三元阴极材料的方法和设备 (Method and apparatus for preparing ternary cathode materials ) 是由 冯涛 卫中领 于 2019-02-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于通过在焙烧炉(120)中焙烧原料(110)来制备锂电池的三元阴极材料(130)的方法,其中在焙烧炉(120)中提供气氛,其中基于被测量的至少一个过程影响参数以闭环控制方式控制气氛的气体组分(a)到焙烧炉(120)中的注入,本发明还公开了一种用于制备三元阴极材料(130)的设备。(The invention discloses a method for producing a ternary cathode material (130) for a lithium battery by roasting raw material (110) in a roasting furnace (120), wherein an atmosphere is provided in the roasting furnace (120), wherein the injection of a gas component (a) of the atmosphere into the roasting furnace (120) is controlled in a closed-loop control manner on the basis of at least one process-influencing parameter that is measured, and an apparatus for producing the ternary cathode material (130).)
技术领域
本发明涉及用于通过在焙烧炉中焙烧原料来制备锂电池的三元阴极材料的方法和设备。
现有技术
电动车辆和混合动力车辆的市场正快速增长。这产生了对通常用于汽车工业中的锂电池或锂离子电池的日益增长的需求。锂电池包含阴极材料和阳极材料以及其它部件。制备这些材料及其部件的过程通常使用气体，如氧气、氮气和氩气。
由于对长行程电动车辆和混合动力车辆的需求，锂电池行业需要寻求更高能量比的阴极材料和对应的解决方案。具有较高能量密度的所谓三元阴极材料已成为该行业中的趋势。用于锂电池的此类三元阴极材料通常通过在焙烧炉中焙烧原料来制备，从而在焙烧炉中提供气氛。
本发明旨在提高由在焙烧炉中焙烧的原料获得产品的可能性，并且因此提供更好的锂电池。
发明内容
该目的通过提供根据独立权利要求所述的方法和设备来实现。
一种根据本发明的方法用于通过在焙烧炉中焙烧原料来制备锂电池(或锂离子电池)的三元阴极材料，其中在焙烧炉中提供气氛。连续辊底式炉或推板炉优选地用作焙烧炉。典型且优选的是，三元阴极材料为镍钴锰和镍钴铝。用于此类焙烧过程的典型温度介于700℃和1000℃之间，焙烧过程通常持续介于10小时和18小时之间。
该焙烧过程中发生的化学反应可由下式描述，其中M表示Ni(镍)、Mn(锰)、Co(钴)和/或Al(铝)：
M(OH)2+0.5Li2CO3+0.25O2＝LiMO2+0.5CO2+H2O
M(OH)2+LiOH.H2O+0.25O2＝LiMO2+2.5H2O
具体地讲，氧气在该过程中起到重要作用，因为它有助于氧化，例如将Ni2+氧化成Ni3+。然而，如果焙烧炉中占优势的温度过高，则Ni3+面临分解问题。因此，三元阴极材料可易于在高温或过高温度下分解。因此，焙烧过程应保持其温度尽可能低，以确保Ni3+将不经历分解。另一个目的是在炉内提供均匀的温度分布和/或均匀的气氛，以允许炉中的所有原料都暴露在相同的过程条件下。
根据本发明，基于被测量的至少一个过程影响参数，以闭环控制方式(即，通过闭环控制)控制气氛中的气体组分优选地为氧气到焙烧炉中的注入。具体地讲，使用控制模块等自动执行闭环控制。
此类过程影响参数可以是影响过程的任何参数。优选地，该至少一个过程影响参数选自表征原料的参数(例如原料的特定组成)和/或表征气氛的参数(例如存在的气体组分(如氧气、二氧化碳)及它们的特定比率或湿度)和/或表征三元阴极材料的参数(例如其特定组成)。为了测量此类参数，可在适当位置处提供对应的测量和/或分析装置。
有利的是，使用气体注入喷枪将气体组分注入焙烧炉的一个或多个区域中。具体地讲，气体注入喷枪安装或设置在焙烧炉的炉顶或侧壁处。在多于一个区域的情况下，可对每个区域使用这些气体注入喷枪中的一个气体注入喷枪。另外，可在这些区域中的一个或多个区域中使用这些气体注入喷枪中的两个或更多个气体注入喷枪。焙烧炉的区域可基于具有不同过程参数的区域或区来限定，如具有不同温度和/或用于使原料移动穿过焙烧炉的不同速度的不同区域。此类气体注入喷枪允许非常精确的注入，并且因此能够在焙烧炉中非常均匀地供应气体。然而，也可将区域分配给焙烧炉中存在的匣钵。
例如，为气体注入喷枪(或若干气体注入喷枪中的每一个)提供具有预定方向的一个或多个喷嘴。可优选地在相对于焙烧炉的纵向轴线的0°和90°之间选择预定方向。这样，可允许气氛并且具体地讲是注入的气体朝向期望的方向移动。另外，可能由此产生湍流或气体流移动。
优选地，气体组分以介于0.5巴和10巴之间的压力提供给气体注入喷枪。这允许选择气体离开喷枪或其喷嘴的速度。例如，速度可高达声速。
有利的是，气体注入喷枪(或若干喷枪中的每一个喷枪)的至少一部分由涂覆有陶瓷的材料如钢(不锈钢或耐热合金等)制成，或者气体注入喷枪(或若干喷枪中的每一个喷枪)由陶瓷制成。此类陶瓷，特别是在其用作涂层的情况下，可为Al2O3、ZrO、SiC等，特别是具有非常高的纯度，以便使材料如钢或其它金属部件不与炉中的气氛进行任何直接接触。
本发明的方法使此类过程所需的氧气非常均匀地暴露于原料。例如，在炉中存在多个匣钵的情况下，每个匣钵都可暴露于足够的氧气。然而，在没有此类方法时，在内部匣钵中观察到原料与氧气的接触较少。相比之下，看出外部匣钵中的原料有更好的机会与氧接触。因此，对于内部匣钵或匣钵线中的原料而言，焙烧的质量不那么好。必须使原料的层厚度非常薄。这些缺点可用本发明的方法来克服。
本发明的方法还可改善用于锂电池制备的三元阴极材料的质量，改善此类三元阴极材料的质量稳定性，并且保持氧气含量(或其它气体组分的含量)稳定，以便满足炉的每个区域中特定材料的焙烧过程要求。另外，还提供了提高生产能力的可能性。能量消耗和流动气体体积可得以减少。
应当指出的是，本发明的方法也可用于通过此类焙烧炉将其它原料转化成对应的产品。例如，可由对应的原料来制备磷酸铁锂(LFP)阴极材料或石墨烯阳极材料。
本发明的另一个目的是一种用于制备锂离子电池的三元阴极材料的设备，该设备包括其中可提供气氛和待焙烧的原料的焙烧炉。该设备还包括用于将气氛的气体组分注入焙烧炉中的注入装置，以及用于基于被测量的至少一个过程影响参数以闭环控制方式控制气体组分的注入的控制装置。可提供用于测量此类参数的测量装置。注入装置优选地包括一个或多个气体注入喷枪，该气体注入喷枪在其端部处具有喷嘴，该喷嘴具有相对于气体注入喷枪的纵向轴线介于0°和90°之间、优选地介于20°和70°之间的预定方向。优选地，该设备适于执行根据本发明的方法。
关于根据本发明的设备的另外实施方案和优点，参考上面的陈述以避免重复。
现在将参考示出优选实施方案的附图进一步描述本发明。
附图说明
图1示意性地示出了一种设备，利用该设备可有利地实施本发明的方法。
图2更详细地示意性地示出了作为图1的设备的一部分的气体注入喷枪。
图3以不同的视图示出了图2的气体注入喷枪。
具体实施方式
在图1中，示出了一个优选实施方案中的根据本发明的设备100。此类设备可用于并且适于实施根据本发明的方法。在下文中，将一起描述设备和对应的方法。
设备100包括例如连续辊底式炉形式的焙烧炉120，通过该焙烧炉焙烧原料110以便获得三元阴极材料130。可将原料110进料到焙烧炉120中，在焙烧炉120中，原料可在例如匣钵线125中移动。
在原料在烘焙炉120内移动期间，原料被焙烧并且转化成期望的三元阴极材料130。就转化而言，其是指上述公式。在焙烧炉120的端部处，在原料完全转化之后，可从炉中移除产物，即三元阴极材料130。
在焙烧炉120中，提供气氛，该气氛包括不同气体组分，如(纯的或大部分纯的)氧气、空气和烟道气。以举例的方式，氧气或氧气进料用数字a表示，空气或空气进料用数字b表示，并且烟道气(如氮气)或烟道气进料用数字c表示。
这些气体组分a、b和c经由控制装置或控制模块150进料到焙烧炉120的内部。通过控制模块150，可控制那些气体组分中的每一者的流量。
在所示的实施方案中，氧气a经由三个气体注入喷枪140进料到焙烧炉120中，以举例的方式，三个气体注入喷枪沿着焙烧炉120中原料的移动路径设置在不同的区域126中。控制模块150可适于使得提供给控制模块的氧气a(即，其质量流)可以预定且可变的比率分布在这三个气体注入喷枪140之间。
为了一方面确定气体注入喷枪140之间的氧气流的当前优选比率并且另一方面确定气体注入喷枪中的每一个气体注入喷枪的绝对氧气质量流，可测量影响焙烧过程的不同参数并将其馈送到控制模块以便建立闭环控制。
以举例的方式，提供了用于测量或分析表征原料110的参数的测量和/或分析仪装置111、用于测量或分析表征气氛的参数的测量和/或分析仪装置121以及用于测量或分析三元阴极材料130的测量和/或分析仪装置131。这些装置中的每一者可将测量或分析结果以信号的形式馈送到控制模块150，使得这些结果可用于改变(或保持)氧气流。
应当指出的是，如果必要或作为权宜，也可以相同的方式改变空气b和/或烟道气c的流。此外，还可测量和控制焙烧炉气氛的压力。
在图2中，更详细地并且以透视图示出了作为图1的设备100的一部分的气体注入喷枪140。在图3中，以剖视图示出了图2的气体注入喷枪140。
可从左端向气体注入喷枪140供应氧气。随着该喷枪140被送入焙烧炉120，氧气可被转移到炉中。在右端或输入端141处，气体注入喷枪140包括喷嘴142。该喷嘴142以相对于气体注入喷枪140的纵向方向或轴线(并且优选地，也相对于其它方向)具有一定角度的通道的形式提供。
使用此类喷嘴(也可在喷枪处提供若干喷嘴)，可以期望的速度和期望的方向将氧气注入到焙烧炉中。氧气注入的最终方向由气体注入喷枪140中的喷嘴(或通道)142的取向以及气体注入喷枪140布置在焙烧炉120中的取向确定。
如前所述，气体注入喷枪140可由陶瓷材料或覆盖有此类陶瓷的钢(或不锈钢)制成。基本上，只有喷枪的要放置在烘焙炉内部的部分需要覆盖有陶瓷或其它类似材料或由陶瓷或其它类似材料制成，以避免由于氧化造成的损坏。
通过提供期望数量的此类喷枪并为这些喷枪提供期望的取向(相对于它们的喷嘴)，可实现氧气在烘焙炉120或其气氛中非常均匀的分布。因此，可以更好且更有效的方式制备三元阴极材料。