[发明专利]用于可再充电电池中的双峰的基于锂过渡金属的氧化物粉末

说明书

技术领域和背景

本发明涉及在Li离子可再充电电池中用作正电极材料的一种双峰的基于锂过渡金属氧化物的粉末，该粉末由两种或更多种锂过渡金属氧化物粉末组成。

可再充电锂电池与其他电池系统相比具有许多优点。它们显示出高能量密度、高电压、无记忆效应以及良好的循环稳定性。目前主要缺点中的两个是与阴极和电解质的离子电导率、以及充电电池的安全性的缺乏相关的问题。

该阴极材料的离子导电率是低的。因此使用-具有对于锂的快得多的传输速率的-液体电解质。该电解质填充一个连通孔隙的网络，该孔网络范围从阴极越过隔膜至阳极。最好的液体电解质(例如，溶解在水中的盐)具有在低电压下的电化学稳定性窗口，而锂离子电池在高电压窗口中运行。因此，需要在高电压下具有电化学稳定性窗口的电解质。此类电解质是溶解在有机液体溶剂中的Li盐(例如LiPF₆和LiBF₄)，并且用于这些液体溶剂的典型实例是直链的或环状的碳酸酯类，像碳酸丙烯酯或碳酸二亚乙酯。这些电解质具有相对低的离子传输速率。该传输速率仍比阴极材料的那些高得多，但比基于水的电解质小得多。这些事实说明穿过电极的离子传输速率本身是一个问题。在一个可再充电Li电池中，电极厚度由液体电解质特性决定。不作详细叙述-有机溶剂的相对低的离子电导率和二元电解质的某些传输特性(电解质耗竭)限制了电极的厚度。如果电流太高或电极太厚，那么一种机制(被称为电解质关闭(electrolyteshutdown))限制了在高放电速率下的容量。电解质关闭是与二元液体电解质相关的一种特性。在固体阴极材料内离子传输慢得多，但该关闭机制不在阴极材料中发生。

为了实现一种可接受的倍率性能，Li离子电池由电极组成，这些电极(1)含有足够孔隙率(在最终电池中填充有电解质)，并且(2)需要是足够薄的(意味着活性材料的低负载量(mg/cm²))以允许锂穿过该电极合理传输。典型的孔隙率是>12体积％，常常15体积％，而15mg/cm²-20mg/cm²的负载量是典型值。多孔的、相对薄的电极由相对昂贵的‘厚膜技术’获得。由于离子传输在电解质中比在固体中快得多，存在一种对于增加电极密度的自然限制。如果孔隙率太低，那么不存在足够的电解质以支持足够快的离子传输。因此，将高度希望的是发展一种阴极材料，该阴极材料具有高离子传输速率以使得穿过电极的一些Li传输经由这些固体颗粒发生。以此方式，可以施用更高的电流速率。

可以降低这些电极的厚度和孔隙率，这导致锂电池的增加的能量密度，因为更多的活性材料配合到该电池的有限体积中。或者可以将这些电极制备为更厚(但仍支持高速率)并且减小该孔隙率。还未报道其离子传输速率接近液体电解质的离子传输速率的阴极材料。

当前，由于充电电池安全性的缺乏，Li金属不能够用作阳极。总体上，含有可提取的锂的阳极是操作危险的并且是难以处理的。其结果是，该锂需要由阴极供应，这潜在性地限制了阴极的选择。该阴极典型地是一种含锂的插层材料。在插层材料中，锂可以电化学上可逆地进行萃取和再插入。目前，只有锂过渡金属氧化物(或磷酸盐)在可再充电Li离子电池中用作阴极。在充电电池中，一种脱锂化的过渡金属氧化物与有机电解质良好接触，因为后者填充了这些颗粒之间的孔。如果该电池变得“不安全”(例如通过外部损坏或加热)，那么可以引发一连串反应。非常决定实际电池的安全性的-一个主要反应-是在该脱锂化的阴极与该液体电解质之间的反应。该反应主要是溶剂与来自该充电阴极的氧的燃烧。在本发明内我们将它称为CCE(充电阴极-电解质(chargedcathode-electrolyte))反应。具有较少、或不含有机电解质的电池将潜在性地安全得多，因为没有CCE反应可以发生。此类电池不是可获得的，因为该电池的倍率性能太低，如以上所讨论的。