[发明专利]阴极材料

说明书

一种用于生产富锂锰的层状氧化物阴极材料或富锂锰的层状氧化物阴极材料前躯体的工艺，包括：在沉淀剂的存在下，在水溶液中，共沉淀溶解的Li化合物和溶解的Mn盐，该溶解的Mn盐选自包括Mn(CH₃COO)₂、Mn(NO₃)₂、MnSO₄及其混合物的组，该沉淀剂至少与该溶解的Mn盐反应以形成碳酸盐，从而提供作为富锂锰的层状氧化物阴极材料前躯体的包括MnCO₃和锂化合物的沉淀物。本发明扩展至一种富锂锰的层状氧化物阴极材料或富锂锰的层状氧化物阴极材料前躯体、一种电化学电池以及一种制造和操作电化学电池的方法。

技术领域

本发明涉及一种阴极材料。具体地，本发明涉及一种用于生产富锂锰的层状氧化物阴极材料或富锂锰的层状氧化物阴极材料前躯体的工艺、通过该工艺生产的一种富锂锰的层状氧化物阴极材料或富锂锰的层状氧化物阴极材料前躯体、一种电化学电池、一种制造电化学电池的方法以及一种操作电化学电池的方法。

背景技术

层状富锂锰金属氧化物复合材料已成为阴极材料的有望候选，以实现更高的容量(200mAh/g)、电压稳定和良好的循环寿命，从而为包括但不限于电动汽车和混合动力汽车的广泛应用提供必要的电力要求。这些材料的工作电压窗口已显示处于2.0V-4.8V的高范围内。尽管如此，富锂锰的层状氧化物材料(例如富锂锰的层状过渡金属氧化物复合材料)具有复杂的结构，包括一些固有缺陷：较高首次不可逆充电容量、长时间循环后的容量衰减、较差的连续充放电速率能力以及高电压下与电解液的高反应性。

富锂锰金属氧化物的化学通式可以表示为xLi₂MnO₃(1-x)LiMO₂，其中M＝Mn、Ni、Co，且x位于0和1之间。作为通过碳酸盐前躯体或氢氧化物前躯体大规模生产富锂锰金属氧化物材料的最有前景的工艺，例如，美国伊利诺伊州莱蒙特的阿贡国家实验室采用的合成方法(参见美国专利US8,492,030)，包括共沉淀和固态途径的结合。例如，要制备Li_1.2Mn_0.6Ni_0.2O₂，首先使用Na₂CO₃作为沉淀剂，通过共沉淀包含镍和碳酸锰前躯体的浆料，制备Ni_0.25Mn_0.75CO₃前躯体，其中在浆料通过过滤以提供滤饼之前，将浆料老化相当长的一段时间，然后干燥滤饼并将干燥的粉末材料与Li₂CO₃混合，以通过固态加热方法生产出最终的Li_1.2Mn_0.6Ni_0.2O₂产品。这种共沉淀方法被工业界使用，以制备用于商业生产Li[Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3]O₂、富锂层状阴极氧化物和尖晶石氧化物LiNi_0.5Mn_1.5O₄和Li_1.05M_0.05Mn_1.9O₄的前躯体。先前已采用相同的方法通过中间Mn_0.75Ni_0.25(OH)₂前躯体合成Li[Li_0.2Mn_0.6Ni_0.2]O₂阴极材料。然而，这种方法在获得最终的Li[Li_0.2Mn_0.6Ni_0.2]O₂之前涉及各种大量的洗涤和干燥步骤。Mn_0.75Ni_0.25(OH)₂氢氧化物前躯体中间体必须通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)特征化，以确认形成，然后再进行锂化工艺以生产Li[Li_0.2Mn_0.6Ni_0.2]O₂。通常，如上所述，商业上采用的用于制备富锂锰的阴极材料的方法具有诸多缺点，包括费时(最多可以花费72个小时)，并且涉及多个步骤，这些步骤可能使得这些材料的大规模商业化不可行。