[发明专利]导电纳米复合材料及由其制成的开口多孔纳米复合物

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于可充电锂电池电极的电极材料，其基于包含在纳米复合物中的纳米颗粒锂化合物。本发明还涉及一种制造这种电极材料的方法。

背景技术

可充电锂电池特别地用于便携电子设备中，例如电话、计算机以及视频设备，并且最近还用于交通工具中，例如电动自行车和汽车。这些应用对这些电池提出高的要求。特别地，对于给定的体积或重量，它们应该存储最多的能量。它们还应该是可靠的和与环境相容的。因此，高能量密度和高比能成为特别是对这种电池的电极材料提出的两个基本要求。

对这种电极材料的另一个重要的要求是循环阻力。这里，每一次循环都包含一次充电和放电过程。循环阻力实质上决定在几次循环之后可获得的比电荷。即使假定每次循环中的循环阻力为99％，100次循环之后可获得的比电荷仅为初始值的37％。因此，即使是99％这样的相对高的值也是不足够的。因此，上述类型的适合充电的高性能电池应该不仅能够以尽可能低的重量和体积储存特定量的能量，而且还应该具有能够对该能量进行数百次放电和再充电的能力。这里，在很大程度上，关键性因素为电极材料。

由于这种电池的主要的经济上的重要性，已进行了巨大努力以寻找最大程度地满足前述要求的电极材料。

截至目前，用于可充电的锂电池的正电极的材料特别地是过渡金属氧化物或过渡金属硫化物、有机分子和聚合物。特别地，过渡金属氧化物和硫化物已经在实践中证明是成功的。这种材料被描述为插入电极材料，且在室温下可充电的许多电池中可发现这种材料。这种材料的更广泛分布的原因在于电化学插入反应是局部化学并且因此部分地保留结构。

在二十世纪七十年代发展了基于锂插入反应的可充电电池的概念。在此期间，提出并实现了众多基于该原理的电极。锂电池(cell)的充电能力主要基于在Li⁺的插入和移除期间客体材料的尺寸稳定性。

如上所述，公知多种过渡金属氧化物、硫化物、磷酸盐和卤化物是用于正电极的易于可逆的材料。特别地，其包括锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物和锂钒氧化物、氧磷酸铜(copper oxyphosphate)、硫化铜、硫化铅和硫化铜、硫化铁、氯化铜等。然而，这些材料在一定程度上是不合适的。由此，例如，锂钴氧化物相对昂贵并且特别地不是环境相容的。从环境相容性的角度来讲，锂锰氧化物将是特别适合的。然而，已经发现这些氧化物通常具有尖晶石结构，其导致这些氧化物具有较低的比电荷或者在关于锂交换的循环下较不稳定。测试还表明，随着锂的移除，斜方晶的锂锰氧化物呈现出尖晶石结构。关于现有技术，此处参考以下公开：Martin Winter，Jürgen O.Besenhard，Michael E.Sparh和Petr Novák的“Insertion Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries”，ADVANCED MATERIALS，1998年11月10日，第10期，第725至763页，以及M.E.Spahr的论文ETH no.12281，″Synthese undCharakterisierung neuartiger Oxide，Kohlenstoffverbindungen，Silicidesowie nanostrukturierter Materialien und deren elektro-undmagnetochemische Untersuchung″(″Synthesis and characterization ofnew types of oxides，carbon compounds，silicides and nano-structuredmaterials and their electro-and magneto-chemical analysis.″)。

因此，仍然非常需要改善的电池，特别是在高比能和大功率密度方面。

发明内容

因此，本发明所要解决的问题是提供用于阳极和阴极但是优选阴极的电极材料，其在循环期间呈现低的极化(polarization)或者没有极化，并且优选具有良好的电化学响应/高放电容量，并且还优选相对地环境相容。

该问题通过一种电极材料解决，该电极材料是纳米复合物并且具有大孔来改善电解质和离子，例如锂的传输，所述纳米复合物为具有孔的开口多孔材料，优选地，所述孔具有至少为纳米颗粒的尺寸，优选地，所述孔的范围是200到500nm，特别地范围是300到500nm，并且是电子导电的。