一种用于电极粉体材料包覆的气相原子层沉积装置及应用
【技术领域】
[0001]本申请涉及锂离子电池的电极材料加工领域，特别是涉及一种用于锂离子电池的电极粉体材料包覆的气相原子层沉积装置及其应用。
【背景技术】
[0002]锂离子电池因其具有高比容量、高循环性能、高能量密度以及高功率密度等优良的性能，已经广泛应用于小型移动数码电子产品，包括手机、相机、笔记本电脑等。随着锂离子电池技术的迅猛发展，锂离子电池也被公认为是最具有发展前景的电动汽车动力储能电池。锂离子电池的电极粉体材料，其性能在很大程度上决定着锂离子电池的性能。研究显示，通过在电极粉体材料包覆改性能够有效提高锂离子电池的性能。
[0003]现有的锂离子电池的电极粉体材料包覆方法主要有固相法、液相法和气相法。其中，原子层沉积技术是一种特殊的化学气相沉积技术，制备的膜层具有均匀、致密、厚度精确可控、高保形性等优点。利用原子层沉积技术进行电极粉体材料包覆，是指在电极粉体材料表面通过自限制化学吸附反应，得到一层非常均匀的纳米级厚度的膜层。
[0004]但是，锂离子电池的电极粉体材料具有较大的比表面积和较高的比表面能，这导致严重的颗粒团聚现象，影响包覆的均匀性和效率，进而影响包覆改性电极粉体材料的性能以及锂离子电池的性能。这在进行工业化生产的大量粉体包覆时尤为严重;严重制约了锂离子电池电极粉体材料包覆改性的进一步发展以及大规模的工业化应用。因此，有必要对传统的对基片表面进行原子层沉积的装置进行改进，以满足锂离子电池电极粉体材料这种特殊粉体材料包覆改性的生产需求。
【发明内容】
[0005]本申请的目的是提供一种改进的特别用于锂离子电池的电极粉体材料包覆的气相原子层沉积装置及其应用。
[0006]本申请采用了以下技术方案:
[0007]本申请的一方面公开了一种用于电极粉体材料包覆的气相原子层沉积装置，包括真空反应腔体和监控系统，真空反应腔体中设置有搅拌装置，搅拌装置与监控系统电连接或信号连接，通过监控系统控制搅拌装置运行。
[0008]本申请的气相原子层沉积装置，是一种实现气固交替反应的装置，具体的，是在反应腔体中放入固体颗粒，然后通入气相前驱体，气相前驱体与固体颗粒接触，在固体颗粒表面吸附、反应，形成包覆层的装置。因为气相前驱体是分子或原子形式在固体颗粒表面进行吸附、反应，以单原子膜形式一层一层的包覆在固体颗粒表面的，所以称为气相原子层沉积。
[0009]需要说明的是，本申请的关键在于，以现有的气相原子层沉积装置为基础，在其真空反应腔体中设置搅拌装置，利用搅拌装置将电极粉体材料充分分散，减少电极粉体材料团聚，利于前驱体吸附和反应，从而使得气相原子层沉积更均匀，生产出高质量的电极包覆材料;并且，本申请的气相原子层沉积装置特别适合于大批量电极粉体材料的处理，能够满足工业化大规模生产的需求。此外，搅拌装置跟监控系统的连接，主要是为了便于实时监控和控制搅拌装置的转动速度。本申请的关键在于增加搅拌装置，至于其它的，如真空系统、前驱体系统、加热系统，以及监控系统等，都可以参考现有的气相原子层沉积装置，在此不累述。
[0010]因此，本申请的一种实现方式中，气相原子层沉积装置还包括真空系统、前驱体系统和加热系统;真空系统用于对真空反应腔体抽真空，前驱体系统用于向真空反应腔体提供前驱体，加热系统用于给真空反应腔体加热，监控系统用于检测真空反应腔体内的压力和温度，并控制真空系统、前驱体系统和加热系统的开启或关闭。
[0011]优选的，搅拌装置为桨式搅拌、涡轮式搅拌和框式搅拌中的至少一种。
[0012]需要说明的是，本申请的搅拌装置，其目的就是将电极粉体材料扬起，使其充分分散，以便于前驱体吸附和反应；因此，只要能够将电极粉体材料扬起即可，至于采用怎样的具体结构可以根据不同的生产条件而定，本申请的优选方案中采用桨式搅拌、涡轮式搅拌和框式搅拌中的至少一种实现搅拌功能。可以理解，在生产条件允许或者一些特殊情况下，甚至可以采用类似洗衣机滚筒转动的结构和方式，使电极粉体材料扬起，例如真空反应腔体自身转动，这种情况下，真空反应腔体自身结构就相当于本申请的搅拌装置。
[0013]优选的，真空反应腔体由上腔体和下腔体组成，搅拌装置的一端固定在上腔体顶端，另一端伸入下腔体中。
[0014]本申请的另一面公开了本申请的气相原子层沉积装置在粉体材料的表面包覆中的应用。
[0015]需要说明的是，本申请的气相原子层沉积装置虽然是针对电极粉体材料的包覆而设计的，但是，本申请的气相原子层沉积装置并不仅限用于电极粉体材料的包覆，任何需要包覆的颗粒都可以采用本申请的气相原子层沉积装置。
[0016]本申请的另一面公开了一种电极粉体材料包覆的方法，其中，电极粉体材料为锂离子电池正极粉体材料或锂离子电池负极粉体材料，该方法采用本申请的气相原子层沉积装置对电极粉体材料进行包覆改性。
[0017]本申请的一种具体实现方式中，该方法包括以下步骤，
[0018](a)将待处理的电极粉体材料装入气相原子层沉积装置的真空反应腔体；
[0019](b)对真空反应腔体进行抽真空，维持真空反应腔体跟外部空气环境的有效隔离；
[0020](C)利用搅拌装置将电极粉体材料扬起，使其充分分散；
[0021](d)向真空反应腔体中通入第一种气相前驱体，使其吸附在电极粉体材料表面；
[0022](e)通入载气将真空反应腔体中多余的第一种气相前驱体清除；
[0023](f)向真空反应腔体中通入第二种气相前驱体，使之与吸附在电极粉体材料表面的第一种气相前驱体反应，形成包覆层；
[0024](g)通入载气将真空反应腔体中多余的第二种气相前驱体清除；
[0025]重复步骤(d)至(g)直到获得设定厚度或结构的包覆层。
[0026]需要说明的是，步骤(d)至(g)实际上即可完成一层气相原子层沉积包覆，但是，为了获得更厚的包覆层，通常需要进行多次沉积，因此，需要重复步骤(d)至(g)直到获得所需厚度的包覆层;至于具体需要重复多少次，取决于所采用的具体的第一种气相前驱体和第二种气相前驱体，以及具体所需要的包覆层厚度，在此不做具体限定。
[0027]还需要说明的是，采用本申请的气相原子层沉积装置和方法可以对电极粉体材料进行一种、两种，甚至多种材料的包覆，形成不同结构的包覆层，只要改变相应的第一种气相前驱体和第二种气相前驱体即可。此外，第一种气相前驱体和第二种气相前驱体，实际上是假设，两种前驱体反应即可获得包覆层，这是获得包覆层比较常规的反应模式，因此这样假设。
[0028]可以理解，如果第一种气相前驱体吸附在电极粉体材料表面，然后经过一些特殊条件就可以形成包覆层，当然就不需要再通入第二种气相前驱体，即可以省略步骤(f)和(g)。或者，如果需要更多种气相前驱体才能反应生成包覆层，例如还需要第三种气相前驱体、第四种气相前驱体，甚至更多前驱体的情况下，相应的增加通入气相前驱体、载气清洗多余的气相前驱体，再通入另一种气相前驱体、再进行载气清洗，如此反复即可。
[0029]优选的，搅拌装置的搅拌速度为100-1000转每分钟。
[0030]需要说明的是，搅拌速度是根据锂离子电池的电极粉体材料颗粒原始粒径和质量的不同而调节的；转速过低，堆积的电极粉体材料无法充分分散，转速过高，电极粉体材料颗粒由于离心力的作用，会向反应腔体壁靠拢，有悖于电极粉体材料分散的初衷。为此，经过大量的试验证实，对于原始粒径和质量大的微米级颗粒的电极粉体材料，调节搅拌速度500-1000转每分钟，可以达到较理想的粉体分散效果;而对原始粒径和质量小的纳米级颗粒的电极粉体材料，调节搅拌速度100-500转每分钟，可以达到较理想的粉体分散效果。
[0031]优选的，真空反应腔体中，第一种气相前驱体与第二种气相前驱体的反应温度为50-300。。。
[0032]需要说明的是，第一种气相前驱体与第二种气相前驱体的反应温度，实际上就是真空反应腔体内的温度，这是由监控系统控制加热系统进行加热，使其保持在所需温度;其中，具体的反应温度是根据所采用的具体的前驱体及其所需的反应温度而定的，在此不做具体限定;通常来说，根据电极粉体材料所采用的包覆材料，反应温度都是在50-300°C之间。
[0033]优选的，载气为惰性气体。更优选的，载气为氮气或氩气。
[0034]优选的，载气