[发明专利]一种锂离子电池正极材料碳包覆改性的系统及方法

说明书

本发明涉及一种锂离子电池正极材料碳包覆改性的系统及方法，所述系统主要包括料仓、螺旋进料器、预热器进料阀、流化床粉体预热器、反应器进料阀、流化床反应器、反应器出料阀、产品冷却器、产品收集器、混合气预热器、一级反应尾气旋风分离器、二级反应尾气旋风分离器、反应尾气布袋收尘器、反应尾气燃烧器、一级预热尾气旋风分离器、二级预热尾气旋风分离器、预热尾气布袋收尘器和预热尾气冷却器按照既定组合形成；所述方法是基于所述系统的碳包覆方法，通过流态化化学气相沉积得到碳包覆正极复合粉体。本发明具有包覆效率高、工艺简单可控、成本低等优点，适合锂离子电池碳包覆改性正极材料的规模化工业生产，具有良好的经济效益和社会效益。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料、化工领域，具体涉及一种锂离子电池正极材料碳包覆改性的系统及方法。

背景技术

锂离子电池以其高能量密度、长循环寿命、无记忆效应和安全环保等特点在很多领域得到了广泛的应用。近年来，随着电动汽车的快速发展，人们对锂离子电池的性能提出了更高的要求。电极材料作为锂离子电池的核心组成部分，决定着锂离子电池的性能。目前锂离子电池正极材料，主要是过渡金属氧化物正极材料，如钴酸锂、三元正极材料等，都有较高的容量和安全性能，然而这类材料当充电电压高于4.2V时，性能就会急剧下降，严重限制了材料的发展和应用。碳包覆改性是一种非常有效可行解决该问题的办法，通过碳包覆改性可以阻止材料与电解液的直接接触，抑制循环过程中氢氟酸对过渡金属氧化物正极材料的侵蚀，减少材料与电解液的副反应。同时可以降低电池在充放电过程中的电荷转移电阻，提高电子导电性和离子导电性，改善过渡金属氧化物正极材料的倍率性能，降低极化作用。因此，碳包覆改性对锂离子电池正极材料的性能改善意义重大。

目前，锂离子电池正极材料的碳包覆方法主要包括：

(1)机械混合热解：机械混合热解方法是指将正极材料和含碳前驱体通过固相机械混合，再通过热解制备碳包覆材料。上海电力学院的专利CN102244247A将LiFePO₄的合成材料与碳源材料(抗坏血酸或葡萄糖)通过机械球磨混合后在惰性气氛保护下600～800℃下保温5～8h制得碳包覆磷酸铁锂复合材料。浙江谷神能源科技股份有限公司专利CN102903913B以聚乙烯或聚丙烯或沥青为碳源，经球磨与原料混合后在200～500℃预烧1～4h，再升温至600～700℃高温热解5～24h。该种碳包覆方法的均匀性效果主要取决于原材料和碳前驱体的混合均匀性，而采用的机械混合方式，均匀性较差。为了将碳源高温热解彻底，处理时间长，大大增加了成本，同时高温热解时碳前驱体容易自形核生成自团聚的碳，导致性能改善效果有限。

(2)液相混合热解：液相混合热解是指将正极材料和含碳前驱体溶液进行混合，经过热解制备碳包覆材料。苏州思创源博电子科技有限公司的专利CN106025208A将三元材料与蔗糖水溶液混合后热解，制得碳包覆三元材料。哈尔滨工业大学专利CN103078115A以蔗糖或葡萄糖为碳源，以溶液形式混合磷酸铁锂原料，在200～300℃预烧1～4h，再升温至550～750℃高温热解5～12h，制备碳包覆多孔结构的纳米磷酸铁锂复合材料。清华大学(CN104882589B)、深圳市贝特瑞新能源材料股份有限公司(CN101308925B)、北京有色金属研究总院(CN105720261A)和深圳市倍特力电池有限公司(CN103474628B)也公开了工艺类似的专利。为了彻底热解碳源，同时不将正极材料中的过渡金属还原，这些专利都采用了预热(200～500℃)结合中低温(600～1000℃)热处理，热解时间普遍长达12～24h。液相混合热解工艺带来的工艺复杂和处理时间长会增加碳包覆的成本，同时存在的自形核团聚碳的问题，也影响碳包覆对电化学性能的改善效果。