[发明专利]用于制备电池单元材料的多阶段工艺和系统

说明书

提供了用于将一种或多种前驱体化合物多步加工成电池材料的一种体系及其方法。所述体系包括雾生成器、干燥室、一个或多个气‑固分离器和一个或多个顺序反应模块，其包括一个或多个气‑固进料器、一个或多个气‑固分离器和一个或多个反应器。在干燥室、气‑固进料器和反应器的内充气室中形成了多个气‑固混合物。此外，热空气或热气用作加工体系中的能量来源，并且作为气体源，用于形成气‑固混合物，以促进其中反应速率和反应的均一性。连续地将前驱体化合物运入加工体系中，并且顺序地通过干燥室和反应模块的内充气室来加工成作为电池材料有用的最终的反应颗粒。

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2013年5月6日提交的、序列号为61/855063的美国临时专利申请；2013年5月23日提交的、序列号为13/901035的美国专利申请；2013年5月23日提交的、序列号为13/901121的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合于本申请中。

技术领域

本发明一般涉及用于电池应用的材料的制备。更具体地说，本发明涉及制备用于二次电池的结构化的阴极或阳极活性材料的方法和系统。

背景技术

已进行了大量努力来研发先进的电化学电池单元(battery cells)，以满足在高能量密度、高动力性能、高容量、长循环周期、低价和卓越的安全性方面，各种消费者电子产品、电动运输工具和电网能量储存应用的逐渐增长的需求。在大多数情况下，需要微型化、轻便并且可充电(由此可重复使用)的电池，以节省空间和材料资源。

在电化学活性电池单元中，阴极和阳极浸入电解液，并且通过分离器来在电学上分开。分离器通常由多孔的聚合物膜材料构成，以使得在电池充电和放电期间，从电极释放到电解液中的金属离子可以通过分离器的孔扩散，并且在阴极和阳极之间迁移。电池单元的类型通常根据在其阴极和阳极电极之间运输的金属离子来命名。多年以来，商业上已开发出了多种可充电的二次电池，例如镍镉电池、镍氢电池、铅酸电池、锂离子电池和锂离子聚合物电池等。为了在商业上使用，可充电的二次电池要求是高能量密度、高动力性能和安全的。然而，在能量密度和动力性能之间存在一定的权衡。

锂离子电池是在20世纪90年代早期研发出来的一种二次电池。与其他二次电池相比，它具有高能量密度、长循环周期、没有记忆效应、低自放电率和环境友好性的优点。锂离子电池很快地被接受，并且主宰了商业二次电池市场。然而，商业生产多种锂离子电池的材料的成本远高于其他类型的二次电池的成本。

在锂离子电池中，电解液主要由有机溶剂(例如碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯)中的锂盐(例如LiPF₆、LiBF₄或LiClO₄)构成，以使得锂离子可以在其中自由移动。通常，分别使用铝箔(例如15～20微米厚)和铜箔(例如8～15微米厚)作为阴极电极和阳极电极的集电器。对于阳极，常常使用微米级石墨(具有大约330mAh/g的可逆的容量)作为覆盖阳极集电器的活性材料。石墨材料常常由固态工艺来制备，例如在无氧气、极高的温度下研磨并热解(例如在约3000℃下石墨化)。至于活性阴极材料，多年来，已研发出了不同晶体结构和容量的多种固体材料。好的阴极活性材料的例子包括纳米级或微米级的锂过渡金属氧化物材料和锂离子磷酸盐等。