[发明专利]锂混合金属氧化物阴极组合物以及采用该组合物的锂离子电化学电池

说明书

相关专利申请

本案要求享有2007年5月7日提交的美国临时专利申请No.60/916,472和2008年1月25日提交的美国临时专利申请No.61/023,447以及2008年3月27日提交的美国专利申请No.12/056,769的优先权，上述内容的全文均以引用的方式并入本文。

技术领域

本申请提供适合作为锂离子电池的阴极的组合物，以及制备和使用该组合物的方法。

背景技术

二次锂离子电池通常包括阳极、电解质和阴极，所述阴极包含锂过渡金属氧化物形式的锂。已被使用的过渡金属氧化物的例子包括锂钴二氧化物、锂镍二氧化物和锂锰二氧化物。已被用于阴极的其他示例性锂过渡金属氧化物材料包括钴、镍和/或锰的氧化物的混合物。

发明内容

然而，这些锂过渡金属氧化物材料经反复充放电循环之后均不能显示出高初始容量、高热稳定性和良好的容量保持率的最佳组合。本发明的阴极材料之目的是要提供具有高能量密度以及热稳定性和循环特性优异的锂离子正极组合物。本发明的阴极材料的另一目的是利用这些正极制备具有类似特性的锂离子电池。

一方面，本发明提供一种用于锂离子电池的阴极组合物，其化学式为Li[Li_xMn_aNi_bCo_cM¹_dM²_e]O₂，其中M¹和M²是不同的金属，并且不是Mn、Ni或Co，其中a、b和c中的至少一个大于0，且其中x+a+b+c+d+e＝1；-0.5≤x≤0.2；0≤a≤0.80；0≤b≤0.75；0≤c≤0.88；0≤d+e≤0.30；且d和e中的至少一个大于0；所述组合物的形式为具有层状O3晶体结构的单相。与已知的材料相比而言，把本发明所提供的阴极组合物复合到锂离子电化学电池当中可显示出改善的电化学循环性能以及容量稳定性。

另一方面，本发明提供一种锂离子电化学电池，其包括阳极、阴极，所述阴极包含化学式为Li[Li_xMn_aNi_bCo_cM¹_dM²_e]O₂的组合物，其中M¹和M²是不同的金属，并且不是Mn、Ni或Co，其中a、b和c中的至少一个大于0，且其中x+a+b+c+d+e＝1；-0.5≤x≤0.2；0≤a≤0.80；0≤b≤0.75；0≤c≤0.88；0≤d+e≤0.30；且d和e中的至少一个大于0；所述组合物的形式为具有层状O3晶体结构的单相。本发明还提供包括至少两个电化学电池的锂离子电池。

本发明的又一方面提供一种制备阴极组合物的方法，包括掺混化学式为Li[Li_xMn_aNi_bCo_cM¹_dM²_e]O₂的组合物的前体；以及加热该前体以制备所述组合物，其中M¹和M²是不同的金属，并且不是Mn、Ni或Co，其中a、b和c中的至少一个大于0，且其中x+a+b+c+d+e＝1；-0.5≤x≤0.2；0≤a≤0.80；0≤b≤0.75；0≤c≤0.88；0≤d+e≤0.30；且d和e中的至少一个大于0；所述组合物的形式为具有层状O3晶体结构的单相。

在本文件中：

冠词“一”和“一个”与“至少一(个)”可互换使用，表示一个或多个所述的要素；

术语“锂化”是指将锂添加到电极材料中的过程；

术语“脱锂”是指将锂从电极材料中移除的过程；

术语“充电”是指为电池提供电化学能量的过程；

术语“放电”是指从电池中移除电化学能量的过程，如使用电池进行所需的工作；

短语“正极”是指在放电过程期间发生电化学还原和锂化的电极(通常称为阴极)；而

短语“负极”是指在放电过程期间发生电化学氧化和脱锂的电极(通常称为阳极)。