[发明专利]一种对锂电池正极材料进行气相碳包覆的方法及装置

说明书

本发明公开了一种对锂电池正极材料进行气相碳包覆的方法及装置，将锂电正极材料进行高度分散，形成的粉体通过含有含碳气体成分的惰性气体气流，正极材料和含碳气体接触时，在高温状态下，正极材料中所含的过渡金属离子作为催化剂，将部分的含碳气体分子裂解，形成致密、紧密包覆的碳包覆层，包覆在正极材料表面，通过控制反应时间、反应温度和含碳气体浓度，制造不同厚度、结构的碳包覆层。这层碳包覆层可以有效改善正极材料的导电性，提高电池的倍率、电压平台等性能。

技术领域

本发明涉及锂电池正极材料碳包覆的方法，具体地说是一种对锂电池正极材料进行气相碳包覆的方法及装置，通过含有碳的气氛在正极材料表面裂解形成碳，从而实现对正极材料实现碳包覆。

背景技术

近年来，锂离子电池已经得到广泛应用，特别是在电动汽车、大型储能电站、通讯基站、电动工具等领域，已经成为唯一大规模应用的动力来源。

锂离子电池的负极主要是石墨材料，正极主要是钴酸锂、三元材料和磷酸铁锂材料等。正极材料的导电能力普遍较差，需要另外加入导电剂才能降低电池的电阻。但是，另外加入的导电剂与正极材料之间仅仅是机械接触，导电能力较弱。很多研究者希望在正极材料表面形成化学生长的碳包覆层，具有紧密接触、欧姆接触的效果。目前，仅仅磷酸铁锂材料通过掺入碳源(例如葡萄糖)，通过热裂解实现了致密的碳包覆，其他正极材料都没有实现。即使磷酸铁锂材料，微观下观察，也仅是部分表面被包覆住，没有实现全面、完整的碳包覆。这严重影响了材料的导电性能，会造成电池体系的内阻高，循环性能差等诸多问题。从材料的制造工艺看，原有的碳包覆工艺，是在原料中掺入碳源，例如葡萄糖，通过加热后裂解形成碳。而实际在前驱体中，葡萄糖是以微颗粒的形式存在的，因此只能形成碳化点，包覆效果比较差。从电镜下观察，大部分碳都是以疏松的颗粒状分布在磷酸铁锂晶粒之间，而不是形成薄碳膜形式的包覆层。

曹燕冰等人曾经提出过固相法合成原位碳包覆LiFePO4复合正极材料的方法。他们采用聚乙烯醇为碳源，通过热裂解在LiFePO4表面形成碳层(中国有色金属学报，2012,22(4):11)。陈元晙等人采用有机碳源，通过分步析出制成原位碳包覆的磷酸铁锂材料(CN103427072A)。纵观以上技术，都是采用固体碳源，通过前驱体的裂解实现的碳包覆。这种技术实现的包覆，由于都是通过碳源颗粒裂解实现的，一般不能实现正极材料表面的完全包覆。因此，急需一种实现正极材料完全、致密碳包覆的方法，应用于锂电正极材料，从而大幅度提高正极材料的电导率，改善电池的倍率、内阻等性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种对锂电池正极材料进行气相碳包覆的方法及装置，制造的锂电池正极材料表面具有一层均匀、致密的碳包覆层，碳含量分布均匀，能够有效提高材料和电池的综合性能。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种对锂电池正极材料进行气相碳包覆的装置，在包覆反应仓的底部设置有锥形的集料仓，集料仓的底部与设置在集料仓外侧的螺旋输送器相通，给螺旋输送器提供动力的电机和出料口设置在螺旋输送器的两端，进料口设置在包覆反应仓上部，在紧邻进料口的下部设置有将包覆反应仓内腔分为上下两部分的振动筛，气体进口设置在包覆反应仓的下部，出气口设置在包覆反应仓的顶部，在出气口上设置有耐高温过滤器。

所述振动筛为具有超声振动功能的筛面，筛子的目数为80-350目，振动筛到气体进口的有效高度H为5-15m。

所述耐高温过滤器为多孔陶瓷管，孔径小于5μm。

所述螺旋输送器的外侧包裹水冷套管。

采用上述装置的对锂电池正极材料进行气相碳包覆的方法，将锂电正极材料通过进料口加入包覆反应仓，同时通过气体进口通入400-750℃的惰性气体气流，惰性气体中加入了1％-5％体积比的含碳气体，正极材料和含碳气体接触时，在高温状态下，正极材料中所含的过渡金属离子作为催化剂，将部分的含碳气体分子裂解，形成致密、紧密包覆的碳包覆层，包覆在正极材料表面，通过控制反应时间、反应温度和含碳气体浓度，制造不同厚度、结构的碳包覆层。