[发明专利]阴极活性材料,非水性电解质电池及其制造方法

说明书

本发明的所属领域

本发明涉及能够可逆地掺杂/脱出锂的阴极活性材料，包含该阴极活性材料的非水性电解质电池，和制造所述阴极活性材料和非水性电解质电池的方法。

相关技术的说明

最近，随着电子设备的急剧进步，对可反复充电的、可以作为电源而被方便地经济地长期使用的二次电池的研究正在积极地进行。在这些典型的二次电池中，有铅二次电池、碱性二次电池和非水性二次电池。

在上述二次电池中，锂离子二次电池作为非水性电解质二次电池具有这样的优点，例如高输出或高能量密度。

锂离子二次电池至少包括阴极、阳极和非水性电解质，所述阴极和阳极都包括能够可逆地掺杂/脱出锂离子的活性材料。随着锂离子在阴极处被脱出进入电解质溶液并在阳极处被嵌入进阳极活性材料中，从而进行锂离子二次电池的充电反应。在放电时，进行与充电反应相反的反应，因此锂离子在阴极被嵌入。也就是随着反复地发生锂离子从阴极进入阳极活性材料和锂离子离开阳极活性材料的锂离子进入/脱出反应，重复地充电/放电。

作为锂离子二次电池的阴极活性材料，使用LiCoO₂、LiNiO₂或LiMn₂O₄，因为这些材料具有高能量密度和高电压。

然而，这些阴极活性材料在它们的组成成分中包含低克拉克数的金属元素，经受高成本和由于不稳定地供给而导致的困难。而且这些阴极活性材料的毒性大，容易显著地污染环境，出现使用新的替代材料作为阴极活性材料的需求。

已经提出使用由通式Li_xFePO₄所表示的具有橄榄石结构的化合物作为锂离子二次电池的阴极活性材料的建议，其中0＜x≤1。Li_xFePO₄具有高达3.6g/m³的体积密度并产生3.4V的高电位，同时理论容量高达170mAh/g。此外，在初始状态，以一个锂原子对一个铁原子的比例，Li_xFePO₄包含可电化学脱杂的锂，因而是一种有希望作为锂离子二次电池的阴极活性材料的侯选物。而且，在它的组成成分中，Li_xFePO₄包括廉价的能够大量供给的铁，因此与上述各种材料也就是LiCoO₂、LiNiO₂和LiMn₂O₄相比，成本低。而且它的毒性低不容易污染环境。

作为一种制备由通式Li_xFePO₄所表示的橄榄石结构的化合物的方法，提出这样一种方法，将作为用于合成的原始材料的磷酸锂(Li₃PO₄)和磷酸亚铁(Fe₃(PO₄)₂)或由通式Fe₃(PO₄)₂·nH₂O所代表的Fe₃(PO₄)₂的水合物混合，其中n代表水合水的量，在预定温度下烧结由此而获得的混合物。

当Li₃PO₄和Fe₃(PO₄)₂起反应时，在煅烧时Li_xFePO₄的合成反应由反应式(1)表示：

    (1)

从上述反应式中可以看到，Li₃PO₄和Fe₃(PO₄)₂在锂和铁的元素比为1∶1的情况下相互反应。如果用于合成的原始材料的组成成分由锂和铁的元素摩尔比表示，即由Li/Fe表示，而且Li/Fe＝1/1，用于合成的原始材料全部参加反应。

然而，用于合成的原始材料超出反应式(1)的化学计算数量的部分没有被用于合成反应，而是被剩余在阴极活性材料中作为杂质。如果用于合成的原始材料在阴极活性材料中的剩余部分过多，使用这种阴极活性材料的非水性电解质电池的电池性能下降。

发明概述