[发明专利]复合粒子，其制备方法，以及包括所述复合粒子的物品

说明书

技术领域

本发明广义地涉及适用于锂离子蓄电池中的阴极中的组合物以及包括所述组合物的装置。

背景技术

在已知的可充电蓄电池系统中，锂离子蓄电池可以实现最高的能量密度。然而，对于多种应用来说，其充电-放电循环寿命、使用寿命、热稳定性以及能量密度仍需要改善。不断地努力去开发具有增加的容量和循环稳定性的电极材料，包括阴极材料。层状混合锂过渡金属氧化物(NMC)近年来变得流行，因为它们提供了比LiCoO₂或Li(Ni_0.8Co_0.15Al_0.05O)₂更好的热稳定性，并且它们具有吸引人的斜坡式电压分布，所述电压分布提供高的平均放电电压。NMC材料还形成致密氧化物，所述氧化物容易被涂布用来产生高密度压缩电极。然而，NMC材料无法在造成严重衰减的情况下在电池中在高于4.4伏特(V)下充电。因此，它们不提供显著的容量增加。

“过量锂”或“富锂”层状材料(在本领域中也称为“耗氧(oxygen loss)”材料)(例如，参看Lu等人，Journal of The Electrochemical Society(电化学学会志)，149(6)，A778-A791(2002)；以及Arunkumar等人，Chemistry of Materials(材料化学)，19，3067-3073(2007))，如Li[Li_0.06Mn_0.525Ni_0.415]O₂或Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂，可以在低放电速率下呈现高达265mAh/g的容量(例如，参看Gao等人，Journal of Power Sources(能源杂志)，191，644-647(2009))。在锂过量材料中，除了存在于Li层中之外，锂还存在于置于两个氧原子层之间的过渡金属晶面中。这些层状锂过量材料的高容量已经被归因于在第一次充电期间晶格的不可逆氧损耗以及随之发生的过渡金属离子在第一次放电结束时的氧化态降低，这通常自身体现为在微分容量dQ/dV中低于3.5V的还原峰。

然而，这些高容量的锂过量层状阴极材料在第一次充电-放电循环中通常受累于低的氧化物密度、低的平均放电电压、不良的锂扩散(低速率)以及巨大的不可逆容量(C_irr)损失。另外，它们通常具有不稳定的晶体结构，随着充电-放电循环而变化。因此，尽管其容量高，但是这些锂过量材料的能量密度是不可取的，特别是在高放电速率下。因此，仍需要具有高稳定性、容量以及能量的阴极材料。

发明内容

在一个方面，本发明提供复合粒子，其中每一所述复合粒子包括：

芯，包含具有O3晶体结构的层状锂金属氧化物，其中如果所述层状锂金属氧化物被合并到锂离子电池的阴极中，并且所述锂离子电池被充电到相对于Li/Li⁺至少4.6伏特并且然后放电，则所述层状锂金属氧化物不呈现低于3.5伏特的dQ/dV峰，并且其中基于所述复合粒子的总原子摩尔数计，所述芯占所述复合粒子的30到85摩尔％；和

外壳层，其具有封闭所述芯的O3晶体结构，其中所述外壳层包含耗氧的层状锂金属氧化物。

在另一方面，本发明提供一种用于锂离子蓄电池的阴极，所述阴极包括上面设置有阴极组合物的集电器，所述阴极组合物包含：

根据本发明的复合粒子；

至少一种导电性稀释剂；以及

粘结剂。

在另一方面，本发明提供一种锂离子蓄电池，它包括阳极、隔板、电解质以及根据本发明的阴极。

在另一方面，本发明提供一种制备复合粒子的方法，所述方法包括：

形成包含第一金属盐的芯前体粒子；

将包含第二金属盐的外壳层设置在至少一些所述芯前体粒子上，从而得到复合粒子前体粒子，其中所述第一金属盐与所述第二金属盐不同；

使所述复合粒子前体粒子干燥，从而得到干燥的复合粒子前体粒子；

将所述干燥的复合粒子前体粒子与锂源材料组合，从而得到粉末混合物；以及

在空气或氧气中烧制所述粉末混合物，从而得到复合粒子，其中所述复合粒子各包括：