[发明专利]用于使用旋转窑煅烧电极材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用旋转窑煅烧电极材料的方法。

背景技术

二次电池的主要组件是阴极、阳极、电解质和隔膜(separator)。为了实现二次电池的高性能和长寿命，电极材料需要具有高稳定的晶体结构、良好的导电性和对化学反应的高稳定性。煅烧是为了改进电极材料的性能而实施的工艺。在阴极材料的情况中，煅烧改进结晶性和晶体之间的粘着性。如果不煅烧，则出现不理想的现象，例如结晶不稳定，以及不稳定的表面崩塌，这导致二次电池的初期充电和放电的容量严重变差。而且，如果不煅烧，电极材料将不理想地具有大比表面积、低夯实密度、以及由此而来的低容量/体积。

广泛用以煅烧电极材料的装置是辊道窑(roller hearth kiln)。使用辊道窑煅烧是通过以下实施的：将电极材料放入烧箱，并将烧箱非常慢地移入维持于高温下的长的隧道式窑中。该辊道窑不仅需要高能量成本以维持非常长的窑的恒定温度，而且需要非常大量的氮气供入窑炉以产生惰性环境。为了解决该辊道窑的缺点，考虑将旋转窑用于电极材料的煅烧。

旋转窑的实例公开于日本专利申请公开号2005-344994和2006-003027。

JP-A-2005-344994公开一种旋转窑，其包括容纳待处理的材料并绕轴旋转的壳体、以及加热壳体外部的加热炉。其中，壳体的加热区域的横截面具有椭圆形，并且该椭圆形的长径与短径的比值为1-2.5:1。此外，该加热炉在其内周上具有加热器，并且加热器移动的方式为它可与壳体向上和向下地整体倾斜。

JP-A-2006-003027公开一种外部加热式旋转窑，其包括在加热腔室中的炉体；以及绕轴旋转并具有多个排气管的甑，该甑纵向穿过炉体和周围的壁，并与加热腔室连通；在炉床上具有：飞灰收集构件，其具有漏斗形状，并且对加热室内开放，并且其直径向下缩小；飞灰排出通路，其连通飞灰收集构件，并且对炉体的外部开放；以及打开和闭合单元，其打开或闭合该飞灰排出通路。

旋转窑包括用于将过程材料(process material)加入窑壳体(甑)的供料段；用于实施煅烧的具有窑壳体的热处理段；和用于排出经煅烧材料的排出部。本文中，改变窑壳体的倾斜度以控制过程材料在窑壳体中的移动速度。

在辊道窑的情况中，将待处理的电极材料放置在烧箱中，并使烧箱移入窑。相反地，在旋转窑的情况中，因为通过旋转的窑壳体的混合和掺合运动使得电极材料流化，所以在较短时间可实施煅烧，并由此能够较大地减少能量费用。此外，因为旋转窑中窑壳体的内部空间相对较小，所以还能够较大地减少用以造成惰性气氛而引入的氮气量。但是，旋转窑的缺点在于它产生比辊道窑更细的粉尘，这是因为旋转窑通过窑壳体的旋转来混合过程材料。如果电极材料中包含大量细粉尘，则在电极制造过程中细粉尘将飞散，使操作性变差，增大电极材料的比表面积，并且降低夯实密度，由此造成电极材料的容量/体积降低。因此，在使用旋转窑煅烧电极材料中，必须抑制细粉尘的产生。

如果旋转窑中的煅烧温度过低或煅烧时间过短，则电极材料的烧结不充分地发生，造成电极的低结晶性、高比表面积和低夯实密度。另一方面，如果煅烧温度过高或煅烧时间过长，则出现过度烧结，其造成缺陷，例如相分解和工艺成本增大。尽管对煅烧气氛没有特别限制，但优选惰性或还原性气氛以防止电极材料的氧化。同时，为了提高二次电池的性能，必须考虑许多因素，例如：电解质的耐腐蚀性；电极材料颗粒的形状，其影响电池的寿命及电性质；以及粒径和分布，其影响电极制备的容易性。特别地，因为电极材料是决定二次电池的性能的核心要素，已进行许多努力以改进电极材料的物理化学性质，例如耐腐蚀性和分散性、以及电性质，例如导电性。

该努力的实例是电极材料颗粒的纳米化、不同元素结合入固溶体中、在颗粒表面上形成保护膜、以及使纳米尺寸的初级粒子聚集而形成二次颗粒。此外，已使用含碳材料或陶瓷材料涂布电极材料颗粒表面，其具有极佳的耐腐蚀性和耐化学性，并改进电极材料的导电性。

因为碳具有例如高导电性和高化学稳定性的优点，所以可将它涂布在阴极材料上或与阴极材料混合以保护阴极材料，并改进具有低导电性的阴极材料的功能。如果使用化学气相沉积法而非通过机械混合将碳简单地与电极材料混合来将碳涂布在电极材料表面上，则可更好地实现碳的优点。碳的优点包括改进电极材料的导电性、保护电极材料颗粒避免外部的物理化学影响、以及抑制在热处理过程中电极材料颗粒的过度生长。