用于电池的生产锂钴氧化物材料的材料和方法与流程

背景技术：

1、已进行了大量努力来研发先进的电化学电池单元，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。因此，对更有效地利用可用能源以及空气质量控制的需求引起了人们对开发用于电动汽车的先进高能量密度电池的极大兴趣。此外，成本效益、较长的循环寿命、稳定性、可充电性和更好的安全特性是推动电池市场的其他因素。

2、在电化学活性电池单元中，正极和负极浸入电解质中并通过隔板进行电子分离。隔膜通常由多孔聚合物膜材料制成，使得从电极释放到电解质中的金属离子可以通过隔膜的孔扩散并在电池充电和放电期间在正极和负极之间迁移。电池的类型通常是根据其正极和负极之间传输的金属离子来命名的。锂离子电池是1990年代初开发的二次电池，代表了新一代轻量、紧凑、高能量的电源。然而，商业化制造各种锂电池材料的成本远高于其他类型的二次电池。

3、正极活性材料是锂离子电池中最昂贵的成分，并且在较大程度上决定了锂电池单元的能量密度、循环寿命、制造成本和安全性。良好的正极活性材料的例子包括纳米或微米尺寸的锂过渡金属氧化物材料和锂离子磷酸盐等。当锂电池首次商业化时，锂钴氧化物(licoo2)材料被用作正极材料。而licoo2的理论容量约为274-275mah/g，以4.2v为上限电压时licoo2的容量约为150mah/g。

4、为了进一步提高licoo2的电池性能，可以提高充电截止电压以提取更多的li+。然而，传统的材料制造工艺，如固态反应(例如，混合固体前驱体然后煅烧)和湿化学工艺(例如，通过共沉淀、溶胶-凝胶或水热反应等处理溶液中的前驱体，然后混合和煅烧)在提高licoo2在高压下的循环稳定性方面存在显著挑战。由于对licoo2材料施加了高电压，因此难以在工业规模水平上始终如一地生产具有高稳定性和长电池寿命周期的特性的licoo2。

5、此外，固态扩散速率影响由这些氧化锂材料制成的所得电池在需要高功率电池的应用中的性能。总体而言，这种固态多步骤批量制造工艺的处理时间将长达一周，因此非常耗费人力和能源。批处理还增加了引入杂质的机会，这些杂质具有较差的运行质量一致性和较低的总产量。具体而言，共沉淀不适用于制备这些含锂过渡金属氧化物电池材料的高纯度、准确的化学计量相。

6、因此，需要一种改进的方法和系统来制造用于锂离子电池(lib)电池的高功率性能、高容量、长循环寿命、优异稳定性、适当结晶、结构化的锂金属氧化物活性材料在高压和高温下。

技术实现思路

1、本发明实施例总体上提供了锂离子电池材料及其锂离子电池材料的制备方法。本发明的一个实施例提供了一种氧化物材料，例如掺杂有至少一种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料(lixcoyoz·doped mea)，其中x为0.9至1.1(0.9≤x≤1.1)，y为从0.9至1.1(0.9≤y≤1.1)，z从1.8至2.2(1.8≤z≤2.2)，并且0＜a≤0.05。该材料可以从一种方法获得，该方法包括形成包含含锂盐、含钴盐和至少一种含金属掺杂剂的盐的液体混合物的雾，将液体混合物的雾与气体流以形成气-液混合物，其中液体混合物可溶于合适的溶剂，干燥气-液混合物以形成气-固混合物，将气-固混合物分离成一种或多种固体颗粒氧化物材料；将所述氧化物材料的一种或多种固体颗粒在400℃或更高的退火温度下进行退火，得到掺杂有至少一种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料的结晶颗粒(lixcoyoz·doped mea)。在一个实施例中，掺杂有至少一种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料(lixcoyoz·doped mea)是透过将液体混合物中的含锂盐、含钴盐和至少一种含金属掺杂剂的盐的摩尔比mlisalt:mcosalt:mmesalt调整为大约x:y:a用于使锂钴氧化物材料以理想的li:co:me原子比等于x:y:a。例如，含锂盐和含钴盐的摩尔比mlisalt:mcosalt:mmesalt在形成液体混合物的雾之前进行调整。作为另一示例，含锂盐、含钴盐和至少一种含金属掺杂剂的盐的摩尔比mlisalt:mcosalt:mmesalt可以在形成液体混合物的雾的同时进行调整。

2、本发明的另一个实施例提供了一种掺杂有一种或多种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料lixcoyoz·doped me1a,me2b,me3c,…,menn)，其中x为0.9至1.1(0.9≤x≤1.1)，y为0.9至1.1(0.9≤y≤1.1)，z为1.8至2.2(1.8≤z≤2.2)，其中n≥1，a,b,c,...,n均大于0且不超过0.05。掺杂一种或多种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料由以下工艺获得，该工艺包括调整含锂盐、含钴盐以及一种或多种含金属掺杂剂盐的摩尔比mlisalt:mcosalt:mme1salt:mme2salt:mme3salt:…mmensalt，其可溶于合适的溶剂成液体混合物，其中所述一种或多种含金属掺杂剂的盐中的每一种选自第一含金属盐、第二含金属盐、第三种含金属盐、……第n含金属盐及其组合，并形成液体混合物的雾。该方法进一步包括将液体混合物的雾与气体流混合以形成气-液混合物，将气-液混合物干燥以形成气-固混合物，将气-固混合物分离成一种或多种固体颗粒氧化物材料；将所述氧化物材料的一种或多种固体颗粒在400℃或更高的退火温度下退火，得到掺杂一种或多种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料的结晶颗粒。

3、本发明的另一个实施例提供了一种掺杂有至少一种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料(lixcoyoz·doped mea)，其中x为0.9至1.1(0.9≤x≤1.1)，y为0.9至1.1(0.9≤y≤1.1)，z为1.8至2.2(1.8≤z≤2.2)，其中0＜a≤0.05。掺杂一种或多种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料由以下工艺获得，该工艺包括调整含锂盐、含钴盐和至少一种金属掺杂剂的摩尔比mlisalt:mcosalt:mme salt到液体混合物并形成液体混合物的雾，其中液体混合物包含含锂盐、含钴盐、至少一种含金属掺杂剂的盐,和合适的溶剂。该方法还包括将液体混合物的雾与气体流混合以形成气-液混合物，将气-液混合物干燥以形成一种或多种氧化物材料的固体颗粒；将所述氧化物材料的一种或多种固体颗粒在400℃或更高的退火温度下进行退火，得到掺杂有至少一种金属掺杂剂的锂钴氧化物材料的结晶颗粒(lixcoyoz·doped mea)。

4、在又一个实施例中，提供了一种生产锂钴氧化物具有一种或多种金属掺杂剂材料的方法，其化学式为lixcoyoz(doped me1a,me2b,me3c,…,menn)。该方法包括形成液体混合物的雾，其中液体混合物透过调整含锂盐(lisalt)、含钴盐(cosalt)和至少一种金属掺杂剂(mesalt)的摩尔比mlisalt:mcosalt:mmesalt获得。液体混合物中的比例约为x:y:a，以用于使锂钴氧化物材料以理想的li:co:me原子比等于x:y:a。该方法还包括将液体混合物的雾与气体流混合以形成气-液混合物，干燥气-液混合物以形成气-固混合物，将气-固混合物分离成一种或多种固体颗粒氧化物材料，将所述氧化物材料的一种或多种固体颗粒在400℃或更高的退火温度下退火以获得掺杂有至少一种金属掺杂剂(me)的锂钴氧化物材料的结晶颗粒(lixcoyoz·doped mea)，其中x为0.9至1.1(0.9≤x≤1.1)，y为0.9至1.1(0.9≤y≤1.1)，z为1.8至2.2(1.8≤z≤2.2)，以及0＜a≤0.05。