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公開番号2024050543
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-04-10
出願番号2023217796,2021578237
出願日2023-12-25,2020-06-29
発明の名称処理システムにおいて加熱アセンブリによって生成物を液体混合物から生成する方法
出願人イージュール,アイエヌシー.
代理人個人,個人
主分類C01D 15/00 20060101AFI20240403BHJP(無機化学)
要約【課題】処理システムにおいて加熱アセンブリによって生成物を液体混合物から生成する方法を提供する。
【解決手段】1つ以上の第1のガス流を、第1のガスラインを介してシステム入口202に送達することと、液体混合物は、リチウム含有化合物および1つ以上の金属含有化合物を含む、液体混合物を生成することと、1つ以上のパワージェットモジュール240A、240Bによって、液体混合物を噴出して1つ以上の液滴流にし、処理システム200へ噴出することと、1つ以上の液滴流を1つ以上の第1のガス流に分散し、1つ以上の気液混合物を形成することと、1つ以上の第2のガス流を、加熱アセンブリ280を介して処理システムの反応室210に送達することと、反応室内の反応混合物を処理し、リチウム含有および1つ以上の金属含有酸化物を含む生成物を生成すること、を含む。
【選択図】図1B
特許請求の範囲【請求項１】
処理システムにおいて加熱アセンブリによって生成物を液体混合物から生成する方法であって、
１つ以上の第１のガス流を、第1のガスラインを介してシステム入口に送達することと、
液体混合物を生成することであって、前記液体混合物は、リチウム含有化合物および1つ以上の金属含有化合物を含む、液体混合物を生成することと、
１つ以上のパワージェットモジュールによって、前記液体混合物を噴出して１つ以上の液滴流にし、前記処理システムへ噴出することと、
前記１つ以上の液滴流を前記１つ以上の第1のガス流に分散し、１つ以上の気液混合物を形成することと、
１つ以上の第２のガス流を、加熱アセンブリを介して前記処理システムの反応室に送達することであって、前記加熱アセンブリは、
１つ以上の第２のガス流を前記反応室に送達するために、前記反応室の室壁の開口に接続される第２のガスラインと、
前記第２のガスラインに接続され、前記反応室の内側に位置付けられるガス送達要素であり、前記ガス送達要素は、前記反応室の入口領域まで伸び、前記１つ以上の第２のガス流を前記入口領域に送達するために前記反応室の内部に上向きに位置づけられ、前記入口領域は分散室に接続され、前記反応室の内部には、１つ以上のガス送達要素によって前記１つ以上の第２のガス流が送達され、前記１つ以上の気液混合物によって反応混合物を形成する、ガス送達要素と、を含む、送達することと、
前記反応室内の前記反応混合物を処理し、リチウム含有化合物および1つ以上の金属含有化合物を含む生成物を生成すること、を含む、方法。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
前記１つ以上のパワージェットモジュールに接続され、前記１つ以上の液滴流が前記１つ以上の第１のガス流と一緒に分散して気液混合物になるように適応する分散室をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記１つ以上の第１のガス流及び前記１つ以上の液滴流は、０度～１８０度の分散角（α）で相互に対して流れる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ガス送達要素は前記反応室の内側に位置付けられ、前記反応室の入口領域まで伸び、前記入口領域は前記処理システムの前記分散室に接続される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記１つ以上の第２のガス流は前記ガス送達要素によって送達され、前記反応室の内側で０度～１８０度の角度（β）で、１つ以上の気液混合物流と相互に混合する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記角度（β）は、１８０度である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記リチウム含有化合物は、リチウム含有化合物、コバルト含有化合物、硫酸リチウム（Ｌｉ２ＳＯ４）、硝酸リチウム（ＬｉＮＯ３）、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）、酢酸リチウム（ＬｉＣＨ２ＣＯＯ）、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、ギ酸リチウム（ＬｉＣＨＯ２）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）からなる群から選択される物質である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記1つ以上の金属含有化合物は、マンガン含有化合物、ニッケル含有化合物、コバルト含有化合物、硫酸コバルト（ＣｏＳＯ４）、硝酸コバルト（Ｃｏ（ＮＯ３）２）、炭酸コバルト（ＣｏＣＯ３）、酢酸コバルト（Ｃｏ（ＣＨ２ＣＯＯ）２）、水酸化コバルト（Ｃｏ（ＯＨ）２）、ギ酸コバルト（Ｃｏ（ＣＨＯ２）２）、塩化コバルト（ＣｏＣｌ２）、硫酸マンガン（ＭｎＳＯ４）、硝酸マンガン（Ｍｎ（ＮＯ３）２）、炭酸マンガン（ＭｎＣＯ３）、酢酸マンガン（Ｍｎ（ＣＨ２ＣＯＯ）２）、水酸化マンガン（Ｍｎ（ＯＨ）２）、ギ酸マンガン（Ｍｎ（ＣＨＯ２）２）、塩化マンガン（ＭｎＣｌ２）、硫酸ニッケル（ＮｉＳＯ４）、硝酸ニッケル（Ｎｉ（ＮＯ３）２）、炭酸ニッケル（ＮｉＣＯ３）、酢酸ニッケル（Ｎｉ（ＣＨ２ＣＯＯ）２）、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）、ギ酸ニッケル（Ｎｉ（ＣＨＯ２）２）、塩化ニッケル（ＮｉＣｌ２）、アルミニウム（Ａｌ）含有化合物、チタン（Ｔｉ）含有化合物、ナトリウム（Ｎａ）含有化合物、カリウム（Ｋ）含有化合物、ルビジウム（Ｒｂ）含有化合物、バナジウム（Ｖ）含有化合物、セシウム（Ｃｓ）含有化合物、クロム（Ｃｒ）含有化合物、銅（Ｃｕ）含有化合物、マグネシウム（Ｍｇ）含有化合物、鉄（Ｆｅ）含有化合物、からなる群から選択される物質、またはこれらの組み合わせである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記処理システムは、さらに電子制御センターを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
１つ以上の第１のガスラインを通って送達される前記１つ以上の第１のガス流は第１の温度に維持され、前記加熱アセンブリの前記ガス送達要素を通って送達される前記１つ以上の第２のガス流は第２の温度に維持され、前記第２の温度は前記第１の温度よりも高い、請求項１に記載の方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年６月２８日に出願された米国仮特許出願公開第６２／８６８８４３号明細書の利益を主張している。上記の出願文献の全ては、参照によって本明細書に組み込まれる。
続きを表示（約 3,900 文字）【０００２】
本発明は、概して、電池で利用するための材料の調製に関する。より具体的には、本発明は、二次電池で使用される構造化されたカソード活物質またはアノード活物質を製造する処理システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
高エネルギー密度、高電力性能、大容量、長いサイクル寿命、低コスト、及び高い安全性に関して、様々な家電製品、電気自動車、及びグリッドエネルギーストレージの利用における高まる需要を満足するために、高度な電気化学電池セルの開発に多くの取り組みが費やされている。多くの場合、電池を小型化、軽量化し、及び再充電可能（ひいては、再利用可能）にして、空間及び物質資源を節約することが望ましい。
【０００４】
電気化学的活性電池セルでは、カソード及びアノードは電解液に浸かり、セパレータによって電子的に分離される。セパレータは一般的に多孔質ポリマー膜材料から作られ、その結果、電極から電解液に放出される金属イオンは、セパレータの細孔を通って拡散して、電池の充電中及び放電中にカソードとアノードとの間で移動できる。電池セルのタイプは、通常、そのカソード電極とアノード電極との間で運ばれる金属イオンから名付けられる。ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、鉛酸電池、リチウムイオン電池、及びリチウムイオンポリマー電池等の様々な再充電可能な二次電池は、長年にわたって販売用に開発されている。販売用に使用するために、再充電可能な二次電池は、高エネルギー密度、高電力密度、及び安全であることが要求される。しかしながら、エネルギー密度と電力密度とのトレードオフが存在する。
【０００５】
リチウムイオン電池は、１９９０年代初めに開発された二次電池である。他の二次電池と比較して、リチウムイオン電池は、高エネルギー密度、長いサイクル寿命、メモリ効果の解消、低自己放電率、及び環境に優しい利点をもたらす。リチウムイオン電池は、急速に、受け入れられ、二次電池の販売市場の大半を占めるようになった。しかしながら、様々なリチウム電池材料を販売用に製造するためのコストは、他のタイプの二次電池よりもかなり高い。
【０００６】
リチウムイオン電池では、電解液は、主に、リチウムイオンが自由に溶媒中を移動できるような、有機溶媒（例えば、エチレンカーボネート、炭酸ジメチル、及び炭酸ジエチル）のリチウム塩（例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、またはＬｉＣｌＯ４）から成る。概して、アルミ箔（例えば、１５～２０μｍの厚さ）及び銅箔（例えば、８～１５μｍの厚さ）は、各々、カソード電極及びアノード電極の集電体として使用される。アノードについて、ミクロン径の黒鉛（約３３０ｍＡｈ／ｇの可逆容量を有する）は、多くの場合、アノード集電体上にコーティングされた活物質として使用される。黒鉛材料は、多くの場合、酸素を用いないで極高温で研削及び熱分解等の固体プロセス（例えば、約３０００℃での黒鉛化）から調製される。活性カソード材料と同様に、異なる結晶構造及び容量の様々な固体材料が長年にわたって開発されている。良質のカソード活物質の例は、ナノメートル径またはミクロン径のリチウム遷移金属酸化物材料及びリン酸リチウムイオン等を含む。
【０００７】
カソード活物質は、リチウムイオン電池の最も高価な構成要素であり、比較的大きい程度まで、リチウム電池セルのエネルギー密度、サイクル寿命、製造コスト、及び安全性が確認される。リチウム電池が最初に商品化されたとき、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ
２
）材料はカソード材料として使用され、それは、カソード活物質の市場でかなりのマーケットシェアを依然として保持している。しかしながら、コバルトは有毒であり、高価である。他のリチウム遷移金属酸化物材料、例えば、層状構造のＬｉＭｅＯ
２
（ここで、金属Ｍｅ＝Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ等、例えば、約１４０～１５０ｍＡｈ／ｇの可逆容量／実用容量のＬｉＮｉ
０．３３
Ｍｎ
０．３３
Ｃｏ
０．３３
Ｏ
２
）、スピネル型構造のＬｉＭｎ
２
Ｏ
４
（約１１０～１２０ｍＡｈ／ｇの可逆容量／実用容量）、及びオリビン型リチウム金属リン酸塩（例えば、ＬｉＦｅＰＯ
４
、約１４０～１５０ｍＡｈ／ｇの可逆容量／実用容量）は、最近、活性カソード材料として開発されている。カソード材料として使用するとき、スピネル型構造のＬｉＭｎ
２
Ｏ
４
材料は不十分な電池サイクル寿命を示し、オリビン型ＬｉＦｅＰＯ
４
材料は、低エネルギー密度及び不十分な低温性能に悩まされる課題がある。ＬｉＭｅＯ
２
材料に関して、その電気化学的性能が良好であるが、以前のＬｉＭｅＯ
２
の製造プロセスは凝集体のほとんどを取得する可能性があり、その結果、ＬｉＭｅＯ
２
材料の大部分の電極密度はＬｉＣｏＯ
２
と比較して低くなる。いずれの場合、電池で利用するための材料（特に、カソード活物質）を製造するための以前のプロセスは、ほとんどのプロセスが長時間になり、かなりの量のエネルギーを消費するため、多大なコストがかかり、さらに、以前の材料品質は一貫性がなく、製造歩留まりは悪い。
【０００８】
固相反応（例えば、固体前駆体の混合、次に、焼成が行われる）及び湿式化学プロセス（例えば、共沈、ゾルゲル、または熱水反応等によって溶液中の前駆体を処理し、次に、混合及び焼成が行われる）等の従来の材料製造プロセスは、ナノ構造材料及びミクロン構造材料を作る際に顕著な課題がある。所望の粒径、モルフォロジー、結晶構造、粒子形状、さらに、所望の化学量論で均一な固体材料（すなわち、粒子及び粉末）をばらつきなく生成することが困難である。ほとんどの従来の固相反応では、長い焼成時間（例えば、４～２０時間）と、完全反応、均質性、及び粒成長を生じさせるための追加のアニーリングプロセスとが要求される。例えば、固相反応によって製造されるスピネル型構造のＬｉＭｎ
２
Ｏ
４
及びオリビン型ＬｉＦｅＰＯ
４
材料は、別の後熱アニーリングプロセス（例えば、２４時間）に加えて少なくとも数時間の焼成が要求され、依然として、不十分な品質一貫性が示される。固相反応に関連する１つの本質的な問題として、焼成炉の内側の温度勾配及び化学勾配（Ｏ
２
等）があることにより、最終生成物の性能、品質一貫性、及び品質全般が制限される。
【０００９】
他方では、低温で行われる湿式化学プロセスは、通常、高速化学反応を含むが、別の高温焼成プロセス及びさらに追加のアニーリングプロセスはさらに後で要求される。さらに、湿式化学プロセスで要求される化学添加物、ゲル化剤、及び界面活性剤は、（追加の化学物質を購入する際、また、特定のプロセス順序、割合、ｐＨ、及び温度を調整する際に）材料製造コストに追加され、同様に生成された活物質の最終組成に支障を及ぼし得る（したがって、多くの場合、不要な化学物質を除去するまたは生成物を濾過する追加ステップが要求される）。さらに、湿式化学によって生成される製品粉末の一次粒子の径は非常に小さく、望ましくない大きい径の二次粒子に凝集する傾向があることによって、エネルギー集積密度に影響を及ぼす。また、同様に生成された粉末粒子のモルフォロジーは、多くの場合、望ましくない非晶質凝集体、多孔質凝集体、針金状、棒状、薄片等を示す。高集積密度を可能にする均一な粒径及び形状が望ましい。
【００１０】
コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ
２
）材料の合成は比較的単純であり、リチウム塩（例えば、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）または炭酸リチウム（Ｌｉ
２
ＣＯ
３
））を、所望の粒径の酸化コバルト（Ｃｏ
３
Ｏ
４
）と混合することと、次に、超高温で長時間（例えば、９００℃で２０時間）にわたって加熱炉で焼成することとを含み、リチウム金属が酸化コバルトの結晶構造に拡散され、層状結晶構造のＬｉＣｏＯ
２
粉末の適切な最終生成物を形成することを確実にする。このアプローチはＬｉＭｅＯ
２
に効かない。その理由として、Ｎｉ、Ｍｎ、及びＣｏ等の遷移金属は相互に十分に拡散しなく、その遷移金属酸化物または遷移金属塩を直接混合し反応（固相焼成）させる場合、均一に混合した遷移金属層を形成しないためである。したがって、従来のＬｉＭｅＯ
２
の製造プロセスでは、最終活性カソード材料（例えば、リチウムＮｉＭｎＣｏ遷移金属酸化物（ＬｉＭｅＯ
２
））を作る前に、遷移金属水酸化物前駆体化合物（例えば、Ｍｅ（ＯＨ）
２
、Ｍｅ＝Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ等）を購入すること、または共沈の湿式化学プロセスからその遷移金属水酸化物前駆体化合物を調製することが要求される。
（【００１１】以降は省略されています）

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