[发明专利]用于锂电池阴极的涂覆颗粒

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2012年5月7日的美国临时申请61/643,346的权益，该申请通过引用并入本文。

政府支持声明

本文所描述和要求保护的发明是根据合同号DE-OE0000223，部分利用美国能源部所提供的经费而完成的。美国政府对本发明享有特定权利。

发明领域

本发明总体涉及二次锂电池，并且更具体地涉及用于此类电池的阴极的材料。

背景技术

锂电池中典型的复合阴极由诸如阴极活性材料、导电添加剂、粘结剂和电解质等若干材料所构成，其中每种材料发挥不同的功能。高效设计的阴极可具有多孔活性材料，该多孔活性材料可与集流体电连通并且还可与填充阴极孔隙的电解质离子连通。通常，阴极的形式为可由粘结剂结合在一起形成多孔结构的颗粒。锂电池的近期研究已经导致比先前可获得的阴极材料具有更高电压上限和/或更高放电容量的高能阴极材料的发展。此类新材料的一些示例及其特性在下文的表I中示出。

遗憾的是，由于这些新活性材料可能是高反应性的，持续消耗电解质，并且其在电池单体循环期间易于破裂从而丧失与集流体的电接触并因此减少电子流，所以没有成为在传统阴极配方中的“普适”替代品。总体结果是，使用这些材料的电池在其失效前仅循环不可接受的很短时间。已经证明，诸如ZrO₂等陶瓷涂层会通过抑制颗粒破裂以及通过提供电解质与活性颗粒表面之间的缓冲来提高稳定性。然而，这些涂层在实际中并不十分成功。它们倾向于以两种方式失败：1)由于颗粒的不完全表面覆盖而导致的较差循环寿命，和2)由其自身的离子或电子势垒特性引起的高阻抗。

所需要的是一种使用高能阴极材料从而使其不再以上述方式破裂的方式。一种途径是开发在高电压下稳定的、电子导电的和离子导电的、并且在阴极颗粒的表面上形成持久涂层的高质量阴极颗粒涂层。

附图说明

当结合附图阅读以下对说明性实施方式的描述时，上述方面和其他方面将为本领域技术人员所清楚理解。

图1为根据本发明一个实施方式，具有涂层的高能阴极材料颗粒的截面示意图。

图2为根据本发明另一实施方式，具有涂层和中间层的高能阴极材料颗粒的截面示意图。

图3为根据本发明一个实施方式的电化学电池单体的截面示意图，该电化学电池单体具有：正电极，其活性材料颗粒具有涂层；集流体；负电极；以及电解质。

发明内容

本文公开了一种用于正电极的材料。该材料至少由正电极活性材料颗粒和涂覆该颗粒的聚合物层制成。该聚合物层包括离子导电的第一聚合物和电子导电的第二聚合物。正电极活性材料可以是分层的Li₂MO₃-LiMO₂(M=Mn、Co或Ni)、具有浓度梯度的LiMO₂(M=Mn、Co或Ni)、LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂及尖晶石-LiNi_0.5Mn_1.5O₄、LiNiPO₄、LiMn_xFe_1-xPO₄、LiCoPO₄、尖晶石-LiMn₂O₄、LiNi_xCo_yMn_zO₂(x+y+z=1)、LiCoO₂、LiNiO₂、LiMnO₂等中的任意一种。

在本发明的一个实施方式中，在正电极活性材料颗粒的表面上以及聚合物层涂层内有一个或多个附加层，换言之，在颗粒与涂层之间有一个或多个间插层。该间插层可为石墨、碳纳米管、无定形碳、锂单离子导体、LiPON、LiSICON、LiCoO₂、磷酸铁锂、铝、铜、二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氟化铝、磷酸锂等中的任意一种。

在一些布置中，聚合物层进一步包含锂盐和/或掺杂剂。