[发明专利]碳涂覆的电化学活性粉末

说明书

发明领域

本发明涉及一种电化学活性粉末，该电化学活性粉末包括碳涂覆的颗粒，该颗粒包含电化学活性化合物，该化合物优选地具有橄榄石或钠超离子导体(NASICON)结构。本发明还涉及一种制造所述粉末的方法并且涉及包含所述粉末的各种产品。具体地，本发明涉及一种包含所述粉末的正极并且涉及包含所述电极的蓄电池，具体地锂离子蓄电池。

背景技术

例如，从US 2009/0148771 A1已知电化学活性粉末，其中公开了基于锂(Li)的粉末。所述粉末包括基于锂磷酸盐的颗粒，这种颗粒以其电化学活性而众所周知。具体地，所述公开公开了微粒LiM_xPO₄化合物，其中M(除其他之外)是锰、铁、镍和镁；其中0≤X≤1；并且该化合物具有在50nm和500nm之间的平均粒径。所述微粒化合物作为活性材料用在阴极中，其中该微粒化合物与碳素材料(例如石墨)以及与粘合剂混合。

已知的电化学活性粉末(例如，基于锂磷酸盐的粉末，诸如LiFePO₄)的已知局限性是它们的低导电率，该低导电率进而可以限制此类粉末的广泛应用。具体地，要求其蓄电池具有高倍率性能的锂离子蓄电池驱动的电气装置可能不会实现所要求的预期用途。为了改进此类材料的导电率并实现更好的电化学性能，已经采用了很多种方法，例如，添加碳、碳涂布、金属掺杂、粒度控制，等等。

例如，US 2009/0148771 A1(并且类似地来自同一申请人的US2013/0052535 A1，以及JP2013069566 A)公开了将微粒碳素材料添加到LiFePO₄粉末提高了包含该LiFePO₄粉末的蓄电池正极的性能。所述公开进一步证实，当所述碳素材料包含增加的石墨量时，实现了更好的结果。为了量化石墨在微粒碳素材料中的量，US 2009/0148771 A1的诸位发明人使用了通过拉曼光谱分析得到的1360cm^-1处的峰值强度(I₁₃₆₀)与1580cm^-1处的峰值强度(I₁₅₈₀)的比率(I₁₃₆₀/I₁₅₈₀)。如其中所解释的，峰值强度I₁₅₈₀归因于石墨化碳，而峰值强度I₁₃₆₀归因于无序碳，并且对于低至0.25的比率，实现了非常好的性能。

然而，改进已知电化学活性粉末(并且尤其是基于锂磷酸盐(诸如LiFePO₄)的那些粉末)的电导率的另一个理想方式是用碳涂层覆盖该粉末的颗粒。

碳涂层是用于改进粉末性能的最重要技术之一，尤其是粉末的导电率、比容量、倍率性能和循环寿命。多个研究项目表明，有效的碳涂层不仅增强电化学活性微粒材料(诸如，锂磷酸盐)的表面电子传导率，还可改进或简化其制备。例如，可以利用碳粉研磨LiFePO₄颗粒，或通过将先前沉积在所述LiFePO₄颗粒的表面上的有机前体原位碳化来容易地制备碳涂覆的LiFePO₄。

然而，施用到电化学活性微粒材料(诸如，上文提到的LiFePO₄颗粒)上的碳涂层的结构可以显著影响所述碳涂层的电化学性能。与在较低温度(<600℃)下制备的碳涂层相比，在高温(>800℃)下制备的碳涂层具有高得多的电子传导率。根据推测，这些有益效果的原因在于碳涂层的增加的石墨化，即涂层中存在增加的石墨化碳的量相对于非石墨化的碳(例如，无序碳)的存在。如US 2009/0148771 A1所示，碳基材料中石墨化碳的程度及其相对无序碳的比率可以通过如由拉曼光谱法所确定的ID/IG(无序/石墨)峰值强度比率来表征。ID/IG比率越低，石墨化碳的量就越高。

洞悉此类见解后，做了各种尝试用石墨化碳来涂覆电化学活性微粒材料诸如基于锂磷酸盐的颗粒。采用了多种方法以试图增强电化学活性微粒材料的特性，诸如：a)用有机前体涂覆颗粒并使用升高的烧结温度(>800℃)来碳化所述前体；b)将颗粒与具有增加的石墨化碳量源的材料(例如，碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维)组合；或c)在烧结期间利用各种催化剂，例如二茂铁，以实现碳的更高石墨化。