本發(fā)明屬于能源材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鋰離子電池高鎳正極材料的電磁場(chǎng)約束等離子體強(qiáng)化氧化焙燒方法。

背景技術(shù)：

隨著便攜式電子產(chǎn)品和新能源汽車等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鋰離子電池的市場(chǎng)需求高速增長(zhǎng)，對(duì)正極材料的需求也隨之快速增長(zhǎng)。

高鎳正極材料通常指鎳含量比較高的層狀正極材料，包括三元鎳鈷錳酸鋰(按鎳鈷錳的比例有622型、701515型、811型等)、鎳鈷鋁酸鋰nca、以及各種摻雜修飾的配方眾多的材料。高鎳材料的優(yōu)點(diǎn)是材料的比容量和能量密度比較高，鎳含量越高的材料這一優(yōu)點(diǎn)越突出，被認(rèn)為是高能量密度鋰離子電池的理想正極材料。

合成高鎳正極材料的條件比較苛刻，其中一個(gè)重要的原因是在焙燒反應(yīng)時(shí)ni²⁺比較難以完全氧化為ni³⁺，導(dǎo)致部分ni²⁺和li⁺產(chǎn)生混排，少量ni²⁺占據(jù)li⁺的位置，就會(huì)嚴(yán)重影響材料的電化學(xué)性能，造成比容量下降、循環(huán)性能惡化、倍率性能降低。

為促進(jìn)ni²⁺的氧化，減少離子混排度，通常要求焙燒時(shí)通入純氧氣(o2)。這一方面增大了制氧的成本，而且對(duì)爐子的抗氧化能力提出了很高的要求。同時(shí)由于氧氣的活性不夠強(qiáng)，純氧中其實(shí)只有很小一部分真正參與了氧化作用，大部分白白排放損失了。由于氧氣的活性不夠強(qiáng)，即使是在純氧氣氛下焙燒，ni²⁺也不能被完全氧化，離子混排問題沒有得到徹底解決，材料電化學(xué)性能的進(jìn)一步提高受到制約。由于碳酸鋰在焙燒時(shí)會(huì)分解出co2，具有一定的還原性，不利于ni²⁺的氧化，因此高鎳材料制備時(shí)需要采用氫氧化鋰而不是碳酸鋰。氫氧化鋰的成本比碳酸鋰高，而且有氣味和腐蝕性，導(dǎo)致工人勞動(dòng)條件惡劣，匣缽壽命嚴(yán)重縮短。

考慮到常溫下臭氧(o3)的氧化能力很強(qiáng)，人們?cè)诤铣筛哝嚥牧系臓t子上接上臭氧發(fā)生器，將臭氧通入爐內(nèi)，試圖利用臭氧的強(qiáng)氧化性促進(jìn)ni²⁺的氧化，但效果并不明顯?？赡苁怯捎趏2和o3都為中性分子，在高溫下的氧化能力相差不大。

另一種降低離子混排度的方法是采取富鋰配方，即在配料時(shí)加入過量的鋰源(過量10～15％)，通過li⁺的大量過量來(lái)抑制ni²⁺在li⁺位的占位。該方法有一定效果，但缺點(diǎn)也十分明顯。首先是加入了過量的鋰源，導(dǎo)致成本增加；其次是過量的鋰殘留在正極材料中，導(dǎo)致材料堿性增強(qiáng)，后續(xù)加工性能劣化。通常后續(xù)還需水洗等工序除掉殘留的鋰，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還會(huì)引起材料性能劣化。另外由于殘留的鋰化合物沒有電化學(xué)活性，也會(huì)導(dǎo)致材料的比容量降低。通常鋰配比高的材料比容量較低，循環(huán)性能和倍率性能較好；鋰配比低的材料比容量較高，但循環(huán)性能和倍率性能較差。因此，通過富鋰配方也不是一種理想的方法。

低溫等離子體化學(xué)是20世紀(jì)60年代以來(lái)在物理學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)、真空技術(shù)等學(xué)科交叉發(fā)展的基礎(chǔ)上形成的一門新興學(xué)科。采用等離子體技術(shù)可使物質(zhì)通過吸收電能實(shí)現(xiàn)一系列傳統(tǒng)化學(xué)所不能實(shí)現(xiàn)的新的化學(xué)反應(yīng)。等離子體氣體放電空間蘊(yùn)含著豐富的高度激發(fā)的分子、原子和離子，利用這些高活性基團(tuán)可以進(jìn)行特殊化學(xué)反應(yīng)，與傳統(tǒng)化學(xué)方法具有完全不同的獨(dú)特規(guī)律。

有文獻(xiàn)報(bào)道了一種大氣壓平板等離子體反應(yīng)器，在其中通入含氧氣體，在等離子體放電下，含氧氣體產(chǎn)生大量氧活性粒子，包括原子o和臭氧o3等中性粒子，o⁺、o2⁺、o3⁺等帶正電荷的粒子，以及o2^-等帶負(fù)電荷的粒子等。將這種等離子體通入水中，會(huì)生成羥自由基(·oh)，具有很強(qiáng)的氧化性和很快的氧化速度。將這種等離子體用于水處理，可以迅速氧化分解幾乎所有的生物大分子、有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，最終將其降解為co2、h2o和無(wú)機(jī)鹽，在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了一類高級(jí)氧化技術(shù)，在船舶壓載水高級(jí)氧化處理、生活飲用水高級(jí)氧化處理等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

目前尚未見將此類技術(shù)應(yīng)用于鋰離子電池高鎳正極材料制備領(lǐng)域以解決高鎳正極材料在焙燒時(shí)ni²⁺難以充分氧化導(dǎo)致陽(yáng)離子混排度較高的缺陷的文獻(xiàn)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種鋰離子電池正極材料的電磁場(chǎng)約束等離子體強(qiáng)化氧化焙燒方法，克服鋰離子電池高鎳正極材料在焙燒時(shí)ni²⁺難以充分氧化導(dǎo)致陽(yáng)離子混排度較高的缺陷，同時(shí)克服活性氧(o⁺、o2⁺、o3⁺等)彌散在石英管中，活性氧的利用率較低，強(qiáng)化氧化作用受限的缺陷。本發(fā)明提高了高鎳正極材料的綜合性能。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)手段為：

一種鋰離子電池高鎳正極材料的電磁場(chǎng)約束等離子體強(qiáng)化氧化焙燒方法，是將前驅(qū)體和鋰源粉體均勻混合，置于焙燒裝置中進(jìn)行焙燒，持續(xù)通入含氧氣體，通過等離子體放電使所述含氧氣體產(chǎn)生帶正電荷的活性氧(o⁺、o2⁺、o3⁺等)，通過在所述焙燒裝置中施加電磁場(chǎng)使所述活性氧的運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，約束富集在前驅(qū)體和鋰源粉體附近，合成高鎳正極材料。

優(yōu)選地，所述焙燒裝置為石英管式爐；更優(yōu)選地，所述焙燒裝置為程序控溫的石英管式爐。

進(jìn)一步的，上述一種鋰離子電池高鎳正極材料的電磁場(chǎng)約束等離子體強(qiáng)化氧化焙燒方法，包括如下步驟：

(1)將所述前驅(qū)體和鋰源粉體均勻混合，置于連接有大氣壓放電等離子體發(fā)生裝置和偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器的所述石英管式爐中；

(2)向所述石英管式爐中通入所述含氧氣體，反應(yīng)后的氣體排出所述石英管式爐，爐內(nèi)氣體壓力保持常壓；

(3)調(diào)節(jié)所述大氣壓放電等離子體發(fā)生裝置的電壓、頻率、功率，使所述含氧氣體在所述石英管式爐中發(fā)生等離子體放電，生成活性氧；

(4)調(diào)節(jié)所述偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器的電場(chǎng)強(qiáng)度和/或所述偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器的磁感應(yīng)強(qiáng)度，使所述活性氧的運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，約束富集在所述前驅(qū)體和鋰源粉體附近；

(5)將所述石英管式爐進(jìn)行升溫，保溫焙燒，合成鋰離子電池高鎳正極材料；

(6)焙燒結(jié)束后，待爐溫降至150℃以下，關(guān)閉所述大氣壓放電等離子體發(fā)生裝置和所述偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中，所述鋰源為氫氧化鋰和碳酸鋰中的一種或兩種；更優(yōu)選為碳酸鋰。

優(yōu)選地，所述步驟(2)中，所述含氧氣體為空氣、富氧空氣、純氧氣中的任意一種，流量為0.05～5l/min；更優(yōu)選為空氣。

優(yōu)選地，所述步驟(3)中，所述大氣壓放電等離子體發(fā)生裝置采用交流電源或脈沖電源，所述電壓為10～50kv，所述頻率為1～50khz，所述功率為100～1000w。

上述技術(shù)方案中，所述步驟(4)中，優(yōu)選在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的共同作用下使所述活性氧的運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，約束富集在所述前驅(qū)體和鋰源粉體附近。

優(yōu)選地，所述步驟(4)中，所述偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器的電場(chǎng)強(qiáng)度為10v/m～10kv/m，所述偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器的磁感應(yīng)強(qiáng)度為10^-2～10t；優(yōu)選在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的共同作用下使所述活性氧的運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，約束富集在所述前驅(qū)體和鋰源粉體附近。

優(yōu)選地，所述步驟(5)中，所述升溫速率為100～400℃/h，溫度為700～900℃，焙燒時(shí)間為4～48h。

優(yōu)選地，所述步驟(6)中，所述鋰離子電池高鎳正極材料為linixm1-xo2，其中1.0≥x≥0.6，m為co、mn、al、mg、ti、v、cr、fe、cu、zn、sr、y、zr中的一種或幾種，包括但不限于lini0.6co0.2mn0.2o2、lini0.8co0.1mn0.1o2、lini0.90co0.05mn0.05o2、lini0.80co0.15al0.05o2；更優(yōu)選為1.0≥x≥0.8的高鎳正極材料，最優(yōu)選為lini0.80co0.15al0.05o2。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題還包括采用以下技術(shù)方案：

一種用于合成鋰離子電池高鎳正極材料的電磁場(chǎng)約束等離子體強(qiáng)化氧化焙燒裝置，其特征在于，包括石英管式爐、大氣壓放電等離子體發(fā)生裝置；所述石英管式爐包括石英管、位于所述石英管一端的進(jìn)氣管，位于所述石英管另一端的排氣管；所述石英管中設(shè)有偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)，所述石英管內(nèi)有反應(yīng)物的投放區(qū)域，所述偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)使活性氧朝反應(yīng)物投放區(qū)域的方向偏轉(zhuǎn)；所述大氣壓放電等離子體發(fā)生裝置包括高壓電源和內(nèi)置于所述石英管中的大氣壓放電等離子體發(fā)生器。

進(jìn)一步地，所述石英管置于石英管式爐膛中，所述石英管式爐膛配有程序控溫裝置。

進(jìn)一步地，所述石英管的內(nèi)徑為50mm。

進(jìn)一步地，所述大氣壓放電等離子體發(fā)生器為平板-平板結(jié)構(gòu)，位于所述石英管內(nèi)部且靠近所述進(jìn)氣管的一端，所述大氣壓放電等離子體發(fā)生器包括位于所述石英管內(nèi)部平行且相對(duì)設(shè)置的上電極和下電極，從所述上電極和所述下電極分別引出導(dǎo)線，接至位于所述石英管外部的所述高壓電源上。

進(jìn)一步地，所述上電極和所述下電極為長(zhǎng)50mm、寬20mm、厚2mm的抗氧化耐熱不銹鋼片，表面覆蓋純度99％的al2o3陶瓷作為介質(zhì)形成阻擋層，所述阻擋層長(zhǎng)60mm、寬25mm、厚0.5mm，氣隙間距為5mm。

所述前驅(qū)體和鋰源粉體均勻混合形成混合物，置于所述石英管中間底部，所述大氣壓放電等離子體發(fā)生器盡量靠近所述混合物，以充分利用產(chǎn)生的等離子體。

進(jìn)一步地，所述偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)通過偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生，所述偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器包括偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)發(fā)生器和磁鐵。

進(jìn)一步地，所述偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)發(fā)生器為平板-平板結(jié)構(gòu)，置于所述石英管外，在所述石英管上方設(shè)置正極板，所述正極板接高壓直流電源的正極，在所述石英管下方設(shè)置負(fù)極板，所述負(fù)極板接高壓直流電源的負(fù)極。

進(jìn)一步地，所述正極板和所述負(fù)極板為長(zhǎng)100mm、寬100mm、厚2mm的抗氧化耐熱不銹鋼片，間距為200mm；在所述石英管中產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度為10v/m～10kv/m可調(diào)；所述帶正電荷的活性氧在所述電場(chǎng)作用下可向下偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，約束富集在所述前驅(qū)體和鋰源粉體附近。

進(jìn)一步地，所述磁鐵為永磁鐵或電磁鐵，置于所述石英管外；在所述石英管相對(duì)的兩側(cè)分別設(shè)置n極和s極。

進(jìn)一步地，所述磁鐵長(zhǎng)100mm、寬100mm、厚50mm，間距200mm；所述磁鐵在所述石英管中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為10^-2～10t，其中電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度可調(diào)；所述帶正電荷的活性氧在所述磁場(chǎng)作用下可向下偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，約束富集在所述前驅(qū)體和鋰源粉體附近。

本發(fā)明的基本原理：

要降低高鎳正極材料中的陽(yáng)離子混排度，關(guān)鍵是要將ni²⁺充分氧化，這需要更強(qiáng)的氧化氣氛。本發(fā)明將焙燒爐與大氣壓放電等離子體反應(yīng)器和偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器連接起來(lái)，將通入爐內(nèi)的含氧氣體先經(jīng)過大氣壓放電等離子體反應(yīng)器，在高壓電場(chǎng)作用下，中性原子或分子中的電子被剝離，生成帶正電荷的o⁺、o2⁺、o3⁺等活性粒子，這些粒子的氧化能力比氧氣(o2)、臭氧(o3)和原子氧(o)更強(qiáng)，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)作用下，帶正電荷的活性氧被約束富集在前驅(qū)體和鋰源粉體附近，用這種氧化能力和活性得到顯著提升并得到富集的氧活性粒子(包括o⁺、o2⁺、o3⁺等)有效強(qiáng)化ni²⁺的氧化以及前驅(qū)體和鋰源的固相反應(yīng)，可以合成ni²⁺得到充分氧化、陽(yáng)離子混排度低的高鎳正極材料。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明將焙燒爐與大氣壓平板等離子體反應(yīng)器和偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器連接起來(lái)，將通入爐內(nèi)的含氧氣體先經(jīng)過大氣壓放電等離子體反應(yīng)器，離解為含大量氧活性粒子(包括o⁺、o2⁺、o3⁺等)的等離子體，這些粒子的氧化能力比氧氣(o2)、臭氧(o3)和原子氧(o)更強(qiáng)，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)作用下，帶正電荷的活性氧被約束富集在前驅(qū)體和鋰源粉體附近，用這種氧化能力和活性得到顯著提升并得到富集的氧活性粒子(包括o⁺、o2⁺、o3⁺等)有效強(qiáng)化ni²⁺的氧化以及前驅(qū)體和鋰源的固相反應(yīng)，可以合成ni²⁺得到充分氧化、陽(yáng)離子混排度低的高鎳正極材料。

(2)等離子體反應(yīng)產(chǎn)生大量氧活性粒子，經(jīng)電磁場(chǎng)約束和富集，其氧化能力和氧化速度顯著提升，焙燒時(shí)可用碳酸鋰作為鋰源，同時(shí)在空氣氣氛下合成性能優(yōu)異的高鎳正極材料，從而顯著降低材料制備成本，改善勞動(dòng)條件。

(3)由于等離子體反應(yīng)產(chǎn)生大量氧活性粒子，氧化能力和氧化速度顯著提升，沒有必要再采用富鋰配方來(lái)抑制ni²⁺在li⁺位的占位。當(dāng)然由于鋰在高溫時(shí)容易揮發(fā)損失，鋰仍需少量過量，一般過量2～5％。因此鋰源的用量可顯著減少，節(jié)約了成本，鋰殘留減少，材料堿性減弱，后續(xù)加工性能改善，比容量也有所提升；

(4)本發(fā)明對(duì)提高高鎳正極材料的綜合性能具有重要意義，特別對(duì)降低高鎳正極材料的陽(yáng)離子混排度，提高材料的循環(huán)性能和倍率性能，降低材料堿性和改善材料加工性能具有顯著效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明電磁場(chǎng)約束等離子體強(qiáng)化氧化焙燒裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器剖視圖(圖1a-a向剖視圖)。

圖3是本發(fā)明偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器俯視圖(圖1b-b向俯視圖)。

圖中各個(gè)附圖標(biāo)記對(duì)應(yīng)的名稱：1-石英管；2-前驅(qū)體和鋰源；3-高壓電源；4-大氣壓放電等離子體發(fā)生器；5-進(jìn)氣管；6-排氣管；7-偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器；71-正極板；72-負(fù)極板；73-n極；74-s極。

具體實(shí)施方式

為了更好地理解本發(fā)明的內(nèi)容，下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖作進(jìn)一步說明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明，而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明的內(nèi)容后，該領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明作出一些非本質(zhì)的改動(dòng)或調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明一種鋰離子電池高鎳正極材料的電磁場(chǎng)約束等離子體強(qiáng)化氧化焙燒方法，是將前驅(qū)體和鋰源粉體均勻混合，置于連接有大氣壓放電等離子體發(fā)生裝置和偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器的石英管式爐中進(jìn)行焙燒，持續(xù)通入含氧氣體，通過等離子體放電產(chǎn)生帶正電荷的具有強(qiáng)氧化性的活性氧(o⁺、o2⁺、o3⁺等)，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)作用下，帶正電荷的活性氧被約束富集在前驅(qū)體和鋰源粉體附近，有效強(qiáng)化鎳的氧化以及前驅(qū)體和鋰源的固相反應(yīng)，合成高鎳正極材料。

所述焙燒裝置為程序控溫的石英管式爐。

具體實(shí)施方法如下：

(1)將所述前驅(qū)體和鋰源粉體均勻混合，置于連接有大氣壓放電等離子體發(fā)生裝置和偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器的所述石英管式爐中；

(2)向所述石英管式爐中通入所述含氧氣體，反應(yīng)后的氣體排出所述石英管式爐，爐內(nèi)氣體壓力保持常壓；

(3)調(diào)節(jié)所述大氣壓放電等離子體發(fā)生裝置的電壓、頻率、功率，使所述含氧氣體在所述石英管式爐中發(fā)生等離子體放電，生成活性氧；

(4)調(diào)節(jié)所述偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器的電場(chǎng)強(qiáng)度，使所述活性氧(o⁺、o2⁺、o3⁺等)的運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，約束富集在所述前驅(qū)體和鋰源粉體附近；

(5)調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器的磁感應(yīng)強(qiáng)度，使活性氧(o⁺、o2⁺、o3⁺等)的運(yùn)動(dòng)在磁場(chǎng)作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，約束富集在前驅(qū)體和鋰源粉體附近；

(6)將所述石英管式爐進(jìn)行升溫，保溫焙燒，合成鋰離子電池高鎳正極材料；

(7)焙燒結(jié)束后，待爐溫降至150℃以下，關(guān)閉所述大氣壓放電等離子體發(fā)生裝置和所述偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器。

在本申請(qǐng)中均結(jié)合以圖1～3所示的電磁場(chǎng)約束等離子體強(qiáng)化氧化焙燒裝置進(jìn)行說明：

所述一種鋰離子電池高鎳正極材料的電磁場(chǎng)約束等離子體強(qiáng)化氧化焙燒方法在電磁場(chǎng)約束等離子體強(qiáng)化氧化焙燒裝置中進(jìn)行，所述電磁場(chǎng)約束等離子體強(qiáng)化氧化焙燒裝置包括石英管式爐、大氣壓放電等離子體發(fā)生裝置；所述石英管式爐包括石英管1、位于所述石英管1一端的進(jìn)氣管5，位于所述石英管1另一端的排氣管6；所述石英管1中設(shè)有偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)，所述石英管1內(nèi)有反應(yīng)物的投放區(qū)域，所述偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)使活性氧朝反應(yīng)物投放區(qū)域的方向偏轉(zhuǎn)；所述大氣壓放電等離子體發(fā)生裝置包括高壓電源3和內(nèi)置于所述石英管1中的大氣壓放電等離子體發(fā)生器4。

所述石英管1置于石英管式爐膛中，所述石英管式爐膛配有程序控溫裝置。

所述大氣壓放電等離子體發(fā)生器4為平板-平板結(jié)構(gòu)，位于所述石英管1內(nèi)部且靠近所述進(jìn)氣管5的一端，所述大氣壓放電等離子體發(fā)生器4包括位于所述石英管1內(nèi)部平行且相對(duì)設(shè)置的上電極和下電極，從所述上電極和所述下電極分別引出導(dǎo)線，接至位于所述石英管1外部的所述高壓電源3上。

所述上電極和所述下電極為長(zhǎng)50mm、寬20mm、厚2mm的抗氧化耐熱不銹鋼片，表面覆蓋純度99％的al2o3陶瓷作為介質(zhì)形成阻擋層，所述阻擋層長(zhǎng)60mm、寬25mm、厚0.5mm，氣隙間距為5mm。

所述前驅(qū)體和鋰源2粉體均勻混合形成混合物，置于所述石英管1中間底部，所述大氣壓放電等離子體發(fā)生器4盡量靠近所述混合物，以充分利用產(chǎn)生的等離子體。

所述偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)通過偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器7產(chǎn)生，所述偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器7包括偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)發(fā)生器和磁鐵。

所述偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)發(fā)生器為平板-平板結(jié)構(gòu)，置于所述石英管1外，在所述石英管1上方設(shè)置正極板71，所述正極板71接高壓直流電源的正極，在所述石英管下方設(shè)置負(fù)極板72，所述負(fù)極板72接高壓直流電源的負(fù)極。

所述正極板71和所述負(fù)極板72為長(zhǎng)100mm、寬100mm、厚2mm的抗氧化耐熱不銹鋼片，間距為200mm；在所述石英管1中產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度為10v/m～10kv/m可調(diào)；所述帶正電荷的活性氧在所述電場(chǎng)作用下可向下偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，約束富集在所述前驅(qū)體和鋰源2粉體附近。

所述磁鐵為永磁鐵或電磁鐵，置于所述石英管1外；在所述石英管1相對(duì)的兩側(cè)分別設(shè)置n極73和s極74。

所述磁鐵長(zhǎng)100mm、寬100mm、厚50mm，間距200mm；所述磁鐵在所述石英管1中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為10^-2～10t，其中電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度可調(diào)；所述帶正電荷的活性氧在所述磁場(chǎng)作用下可向下偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，約束富集在所述前驅(qū)體和鋰源2粉體附近。

所述電磁場(chǎng)約束等離子體強(qiáng)化氧化焙燒裝置運(yùn)行原理是：含氧氣體從進(jìn)氣管5以一定流量通入，先經(jīng)過大氣壓放電等離子體發(fā)生器4離解為帶正電荷的活性氧，所述活性氧在偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)發(fā)生器7產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，約束富集在所述前驅(qū)體和鋰源2附近，有效強(qiáng)化鎳的氧化以及前驅(qū)體和鋰源2的固相反應(yīng)，合成高鎳正極材料，反應(yīng)后的氣體從排氣管6排出。

下面就結(jié)合該裝置，以詳細(xì)實(shí)施例再進(jìn)一步說明鋰離子電池高鎳正極材料的電磁場(chǎng)約束等離子體強(qiáng)化氧化焙燒方法。

實(shí)施例1

稱取0.1mol前驅(qū)體ni0.80co0.15al0.05(oh)2和0.0525mol碳酸鋰，將前驅(qū)體和碳酸鋰粉體均勻混合，置于石英管中(置于石英管式爐膛中)。以500ml/min的流量向石英管式爐中通入空氣，反應(yīng)后的氣體排出石英管式爐，爐內(nèi)氣體壓力保持常壓。采用交流電源，調(diào)節(jié)大氣壓放電等離子體發(fā)生裝置的電壓為10kv、頻率為15khz、功率為500w，使空氣在管中發(fā)生等離子體放電，生成活性氧。調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度為5kv/m，調(diào)節(jié)磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為2t。將石英管式爐以200℃/h的升溫速率升至800℃，保溫焙燒12h，然后自然冷卻至室溫。在此過程中等離子體放電產(chǎn)生的活性氧(o⁺、o2⁺、o3⁺等)在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下，向下偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并約束富集在前驅(qū)體和鋰源混合物附近，有效強(qiáng)化鎳的氧化以及前驅(qū)體和鋰源的固相反應(yīng)，合成高鎳正極材料鎳鈷鋁酸鋰(分子式lini0.80co0.15al0.05o2，簡(jiǎn)稱nca)。焙燒結(jié)束后，待爐溫降至150℃以下，關(guān)閉大氣壓放電等離子體發(fā)生器、偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)發(fā)生器和電磁鐵。

測(cè)得該鎳鈷鋁酸鋰正極材料中陽(yáng)離子的混排度約為0.5％，ph為11.10，扣式半電池首次庫(kù)侖效率(0.1c)91.9％；扣式半電池0.1c克比容量206mah/g；鋁殼全電池1c克比容量177mah/g，300周循環(huán)容量保持率97.8％，500周循環(huán)容量保持率95.9％。

制備所得高鎳正極材料的陽(yáng)離子混排度小，克比容量高，循環(huán)性能和倍率性能好，堿性低、加工性能好，具有優(yōu)異的綜合性能。

空氣經(jīng)等離子體放電產(chǎn)生大量氧活性粒子(o⁺、o2⁺、o3⁺等)，經(jīng)電磁場(chǎng)約束和富集，其氧化能力和氧化速度顯著提升。與沒有電磁場(chǎng)約束的等離子體強(qiáng)化氧化技術(shù)相比，本實(shí)施例用碳酸鋰作為鋰源，同時(shí)在空氣氣氛下就可以合成性能優(yōu)異的高鎳正極材料，從而顯著降低材料制備成本，改善勞動(dòng)條件。

實(shí)施例2

關(guān)閉偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)發(fā)生器，其它條件同實(shí)施例1，合成高鎳正極材料鎳鈷鋁酸鋰。測(cè)得該鎳鈷鋁酸鋰正極材料中陽(yáng)離子的混排度約為2.5％，ph為11.58，扣式半電池首次庫(kù)侖效率(0.1c)88.8％；扣式半電池0.1c克比容量201mah/g；鋁殼全電池1c克比容量165mah/g，300周循環(huán)容量保持率92.6％，500周循環(huán)容量保持率89.5％。

材料綜合性能比實(shí)施例1的有所降低，說明光有磁場(chǎng)約束沒有電場(chǎng)約束，等離子體的約束富集作用弱化，影響了強(qiáng)化氧化焙燒作用。

實(shí)施例3

關(guān)閉電磁鐵，其它條件同實(shí)施例1，合成高鎳正極材料鎳鈷鋁酸鋰。測(cè)得該鎳鈷鋁酸鋰正極材料中陽(yáng)離子的混排度約為2.4％，ph為11.60，扣式半電池首次庫(kù)侖效率(0.1c)89.8％；扣式半電池0.1c克比容量201mah/g；鋁殼全電池1c克比容量166mah/g，300周循環(huán)容量保持率92.7％，500周循環(huán)容量保持率90.5％。

材料綜合性能比實(shí)施例1的有所降低，說明光有電場(chǎng)約束沒有磁場(chǎng)約束，等離子體的約束富集作用也會(huì)弱化，影響了強(qiáng)化氧化焙燒作用。

實(shí)施例4

調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度為10kv/m，調(diào)節(jié)磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為10t。其它條件同實(shí)施例1，合成高鎳正極材料鎳鈷鋁酸鋰。測(cè)得該鎳鈷鋁酸鋰正極材料中陽(yáng)離子的混排度約為0.4％，ph為11.05，扣式半電池首次庫(kù)侖效率(0.1c)92.9％；扣式半電池0.1c克比容量207mah/g；鋁殼全電池1c克比容量179mah/g，300周循環(huán)容量保持率98.8％，500周循環(huán)容量保持率96.9％。

材料綜合性能比實(shí)施例1的有所提高，說明在更強(qiáng)的電磁場(chǎng)作用下，等離子體的約束富集作用得到進(jìn)一步強(qiáng)化，促進(jìn)了強(qiáng)化氧化焙燒作用。

實(shí)施例5

調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度為10v/m，調(diào)節(jié)磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.01t。其它條件同實(shí)施例1，合成高鎳正極材料鎳鈷鋁酸鋰。測(cè)得該鎳鈷鋁酸鋰正極材料中陽(yáng)離子的混排度約為2.6％，ph為11.65，扣式半電池首次庫(kù)侖效率(0.1c)89.0％；扣式半電池0.1c克比容量200mah/g；鋁殼全電池1c克比容量165mah/g，300周循環(huán)容量保持率91.7％，500周循環(huán)容量保持率90.6％。

材料綜合性能比實(shí)施例1的明顯降低，說明在較弱的電磁場(chǎng)作用下，等離子體的約束富集作用不夠，影響了強(qiáng)化氧化焙燒作用。因此，為得到比較好的效果，電磁場(chǎng)應(yīng)該有比較高的強(qiáng)度。

實(shí)施例6

以0.105mol氫氧化鋰lioh·h2o代替實(shí)施例1中的0.0525mol碳酸鋰li2co3，其它條件同實(shí)施例1，合成高鎳正極材料鎳鈷鋁酸鋰。測(cè)得該鎳鈷鋁酸鋰正極材料的綜合性能與實(shí)施例1的幾乎相同，表明碳酸鋰完全可以代替氫氧化鋰為鋰源。

實(shí)施例7

以含氧90％的富氧空氣代替實(shí)施例1中的空氣，其它條件同實(shí)施例1，合成高鎳正極材料鎳鈷鋁酸鋰。測(cè)得該鎳鈷鋁酸鋰正極材料的綜合性能與實(shí)施例1的幾乎相同，表明完全可以在空氣氣氛下制備鎳鈷鋁酸鋰正極材料，而不必采用富氧氣氛。

實(shí)施例8

以純o2氣體代替實(shí)施例1中的空氣，其它條件同實(shí)施例1，合成高鎳正極材料鎳鈷鋁酸鋰。測(cè)得該鎳鈷鋁酸鋰正極材料的綜合性能與實(shí)施例1的幾乎相同，表明完全可以在空氣氣氛下制備鎳鈷鋁酸鋰正極材料，而不必采用純氧氣氛。

實(shí)施例9

稱取0.1mol前驅(qū)體ni0.6co0.2mn0.2(oh)2和0.0525mol碳酸鋰li2co3，將前驅(qū)體和碳酸鋰粉體均勻混合，置于石英管中(置于管式爐的爐膛中)。以50ml/min的流量向石英管式爐中通入空氣，反應(yīng)后的氣體排出石英管式爐，爐內(nèi)氣體壓力保持常壓。采用脈沖電源，調(diào)節(jié)大氣壓放電等離子體發(fā)生裝置的電壓為14kv、頻率為1khz、功率為300w，使空氣在管中發(fā)生等離子體放電，生成活性氧。調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度為1kv/m，調(diào)節(jié)磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.5t。將石英管式爐以100℃/h的升溫速率升至900℃，保溫焙燒48h，然后自然冷卻至室溫。在此過程中等離子體放電產(chǎn)生的活性氧(o⁺、o2⁺、o3⁺等)在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下，向下偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并約束富集在前驅(qū)體和鋰源混合物附近，有效強(qiáng)化鎳的氧化以及前驅(qū)體和鋰源的固相反應(yīng)，合成高鎳正極材料鎳鈷錳酸鋰(分子式lini0.6co0.2mn0.2o2，622型)。焙燒結(jié)束后，待爐溫降至150℃以下，關(guān)閉大氣壓放電等離子體發(fā)生器、偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)發(fā)生器和電磁鐵。

測(cè)得該鎳鈷錳酸鋰正極材料中陽(yáng)離子的混排度約為0.6％，ph為11.00，扣式半電池首次庫(kù)侖效率(0.1c)92.5％；扣式半電池0.1c克比容量162mah/g；鋁殼全電池1c克比容量148mah/g，300周循環(huán)容量保持率97.8％，500周循環(huán)容量保持率96.8％。

制備所得高鎳正極材料的陽(yáng)離子混排度小，克比容量高(鎳含量較低，故容量低于nca)，循環(huán)性能和倍率性能好，堿性低、加工性能好，具有優(yōu)異的綜合性能。

實(shí)施例10

稱取0.1mol前驅(qū)體ni0.8co0.1mn0.1(oh)2和0.105mol氫氧化鋰lioh·h2o，將前驅(qū)體和氫氧化鋰粉體均勻混合，置于石英管中(置于管式爐的爐膛中)。以1l/min的流量向石英管式爐中通入空氣，反應(yīng)后的氣體排出石英管式爐，爐內(nèi)氣體壓力保持常壓。采用交流電源，調(diào)節(jié)大氣壓放電等離子體發(fā)生裝置的電壓為20kv、頻率為25khz、功率為200w，使含氧氣體在管中發(fā)生等離子體放電，生成活性氧。調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度為3kv/m，調(diào)節(jié)磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.5t。將石英管式爐以300℃/h的升溫速率升至750℃，保溫焙燒16h，然后自然冷卻至室溫。在此過程中等離子體放電產(chǎn)生的活性氧(o⁺、o2⁺、o3⁺等)在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下，向下偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并約束富集在前驅(qū)體和鋰源混合物附近，有效強(qiáng)化鎳的氧化以及前驅(qū)體和鋰源的固相反應(yīng)，合成高鎳正極材料鎳鈷錳酸鋰(分子式lini0.8co0.1mn0.1o2，811型)。焙燒結(jié)束后，待爐溫降至150℃以下，關(guān)閉大氣壓放電等離子體發(fā)生器、偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)發(fā)生器和電磁鐵。

測(cè)得該鎳鈷錳酸鋰正極材料中陽(yáng)離子的混排度約為1.0％，ph為11.30，扣式半電池首次庫(kù)侖效率(0.1c)90.5％；扣式半電池0.1c克比容量201mah/g；鋁殼全電池1c克比容量167mah/g，300周循環(huán)容量保持率96.5％，500周循環(huán)容量保持率94.6％。

制備所得高鎳正極材料的陽(yáng)離子混排度小，克比容量高，循環(huán)性能和倍率性能好，堿性低、加工性能好，具有優(yōu)異的綜合性能。

實(shí)施例11

稱取0.1mol前驅(qū)體ni0.90co0.05mn0.05(oh)2和0.105mol氫氧化鋰lioh·h2o，將前驅(qū)體和氫氧化鋰粉體均勻混合，置于石英管中(置于管式爐的爐膛中)。以5l/min的流量向石英管式爐中通入空氣，反應(yīng)后的氣體排出石英管式爐，爐內(nèi)氣體壓力保持常壓。采用脈沖電源，調(diào)節(jié)大氣壓放電等離子體發(fā)生裝置的電壓為50kv、頻率為50khz、功率為1000w，使含氧氣體在管中發(fā)生等離子體放電，生成活性氧。調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度為8kv/m，調(diào)節(jié)磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.2t。將石英管式爐以400℃/h的升溫速率升至700℃，保溫焙燒4h，然后自然冷卻至室溫。此過程中等離子體放電產(chǎn)生的活性氧(o⁺、o2⁺、o3⁺等)在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下，向下偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并約束富集在前驅(qū)體和鋰源混合物附近，有效強(qiáng)化鎳的氧化以及前驅(qū)體和鋰源的固相反應(yīng)，合成高鎳正極材料鎳鈷錳酸鋰(分子式lini0.90co0.05mn0.05o2)。焙燒結(jié)束后，待爐溫降至150℃以下，關(guān)閉大氣壓放電等離子體發(fā)生器、偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)發(fā)生器和電磁鐵。

測(cè)得該鎳鈷錳酸鋰正極材料中陽(yáng)離子的混排度約為1.3％，ph為11.60，扣式半電池首次庫(kù)侖效率(0.1c)90.5％；扣式半電池0.1c克比容量212mah/g；鋁殼全電池1c克比容量179mah/g，300周循環(huán)容量保持率94.8％，500周循環(huán)容量保持率93.8％。

制備所得高鎳正極材料的陽(yáng)離子混排度小，克比容量高(鎳含量高，故容量高)，循環(huán)性能和倍率性能好，堿性較低、加工性能好，具有優(yōu)異的綜合性能。

比較實(shí)施例1

關(guān)閉偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)發(fā)生器和電磁鐵，其它條件與實(shí)施例1完全相同，合成高鎳正極材料鎳鈷鋁酸鋰。

測(cè)得該鎳鈷鋁酸鋰正極材料中陽(yáng)離子的混排度約為3.5％，ph為11.88，扣式半電池首次庫(kù)侖效率(0.1c)86.8％；扣式半電池0.1c克比容量196mah/g；鋁殼全電池1c克比容量155mah/g，300周循環(huán)容量保持率90.6％，500周循環(huán)容量保持率85.5％。

制備所得高鎳正極材料的陽(yáng)離子混排度較大，克比容量較低，循環(huán)性能和倍率性能較差，堿性較高、加工性能差，綜合性能較差。

由此可見，本發(fā)明的電磁場(chǎng)約束等離子體強(qiáng)化氧化焙燒方法對(duì)提高高鎳正極材料的綜合性能具有重要意義。

上述說明并非對(duì)發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不限于上述舉例。本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)，做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。