[发明专利]新电极材料,尤其用于可再充电锂离子电池的新电极材料

说明书

技术领域

本发明涉及用于选择和设计新电极材料的方法、该新材料、以及包括该材料的电池，所述新电极材料特别地为阳极和阴极材料，其适用于可再充电锂离子电池。

背景技术

锂离子电池是具有一种最佳的能量对重量比率、没有记忆效应并且在不使用时充电损失缓慢的最流行类型的可再充电电池中的一种。对于一些应用而言，锂离子电池因其高能量密度而日益变得流行。

锂离子电池的三个主要的功能部件为阳极、阴极和电解质，可以将各种材料用于所述阳极、阴极和电解质。常规锂离子电池的负(在放电期间)电极(阳极)由碳或，更具体地，石墨构成。正(在放电期间)电极(阴极)通常由以下三种材料中的一种构成，即，诸如锂钴氧化物的分层的氧化物、诸如锂铁磷酸盐的基于聚阴离子的材料、或诸如锂锰氧化的尖晶石结构材料。第三功能部件(电解质)为有机溶剂中的锂盐。

依赖于对阳极、阴极和电解质的材料选择，锂离子电池的电压、容量、寿命和安全性会极大地变化。

阳极和阴极材料都是可以使锂移入其中和使锂从其中移出的材料。在这里将锂移动到阳极或阴极中的过程称为嵌入(intercalation)，并将锂从阳极或阴极移出的相反的过程称为脱出(deintercalation)。当对电池放电时，锂从阳极抽出而插入到阴极中。当对电池充电时，发生相反的过程，即，锂从阴极抽出而插入到阳极中。

只有不仅使锂离子移动而且通过外部电路使电子流动，才可提取有用功。因此，电子的去除和接收的容易性(ease)是相关的。

例如，反应和循环次数受到稳定化合物的产生的限制，所述稳定化合物即为在充电条件下不再是可逆的化合物，例如Li₂O。

虽然在过去几年已经开发了新电极材料，但仍需要具有例如更高的容量和/或更多的再充电循环的更好的材料。

发明内容

因此，本发明的一般性的目的为提供一种设计和选择用于阳极和/或阴极的电极材料的方法。

现在，为了实现这些目的和本发明的其他目的(其将随着描述的深入而变得更清楚)，通过包括以下步骤的特征来描述本发明的方法：

A)选择基础半导体材料，所述基础半导体材料选自氮化物、碳化物、硼化物、砷化物、锑化物、硫化物、磷化物、氧化物、氢化物、及其组合，所述基础半导体材料包含至少两种不同的元素，所述至少两种不同的元素具有至少1.5的电负性并处于稳定态，优选分别处于其最高(最正性)氧化态和其最高(最负性)还原态；

B)从在A)中提供的所述材料中选择这样的材料，该材料的晶体结构允许以低的变形功(deformation work)嵌入/脱出Li离子；

C)从在A)中提供的所述基础半导体材料中选择具有在价带与导带之间的大的能隙或带隙ΔE的材料；

D)选择或设计在充电时释放锂的含锂活性电极材料和/或在充电时吸收锂的活性电极材料，所述活性电极材料基于A)中的所述基础半导体材料；以及

E)通过相对于彼此地权衡B)和C)的标准，从D)的材料中选择具有改善的特征的活性电极材料，

其中B)到D)的顺序是任意的。

本发明的另一目的为提供合适的电极材料。

本发明的再一目的为提供包括通过本发明的方法可获得的至少一个电极，优选两个电极(优选地基于相同的基础材料)的电池(或至少其原电池(galvanic element))。

出乎意料地，发明人发现可以预测电极材料的质量，并且，如果优化特定的标准(例如，应用本发明的包括步骤A)到E)的方法)，可以设计电极材料。

步骤A)包括选择基础半导体材料，所述基础半导体材料选自氮化物、碳化物、硼化物、砷化物、锑化物、硫化物、磷化物、氧化物、氢化物、及其组合，但是主要选自氮化物、碳化物、硼化物、磷化物、及其组合，例如，氮化物、碳化物、硼化物、及其组合，所述基础半导体材料包含至少两种不同的元素，所述至少两种不同的元素具有至少1.5的电负性并处于稳定态(例如，V^+III)，优选分别处于其最高(最正性)的氧化态和(最负性)的还原态。

步骤B包括从在步骤A中提供的材料中选择这样的材料，该材料具有允许以尽可能低的变形功嵌入/脱出Li离子的晶体结构。例如，这样的材料为具有在其晶格中的馈通(feedthrough)(Gitterliicke)和/或大的晶面间距的材料。