[发明专利]正极活性材料及使用其的锂电池

说明书

技术领域

本发明涉及正极活性材料及使用其的锂电池。

背景技术

通常，用在锂电池中的正极活性材料包含过渡金属和锂的化合物或氧化物，例如LiNiO₂、LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄、LiNi_xCo_1-xO₂(其中0≤x≤1)、或LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂(其中0≤x≤0.5以及0≤y≤0.5)。

在这些正极活性材料中，LiCoO₂典型地用在锂电池中。但是，LiCoO₂相对昂贵，并且具有约140mAh/g的有限放电容量。另外，当锂电池处于充电状态时，Li从LiCoO₂移出使得LiCoO₂变成Li_1-xCoO₂，Li_1-xCoO₂本质上是不稳定且不可靠的。

为解决这些问题，已经提出了改善的正极活性材料，如LiNi_xCo_1-xO₂(其中0≤x≤1)和LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂(其中0≤x≤0.5以及0≤y≤0.5)。但是，这些正极活性材料并未完全克服上述问题。

考虑到电化学电势、成本、放电容量、稳定性、以及金属氧化物的毒性，Mn是用于代替锂电池的正极中的Co的最合适的第一行过渡金属原子。另外，Mn氧化物与Li-Mn氧化物可以具有多种结构例如一维结构、二维层结构、以及三维构架结构。这些结构的例子包括α-MnO₂、β-MnO₂、以及γ-MnO₂。通常，即使当锂嵌入或脱嵌时，这些Mn氧化物的结构完整性也不被破坏。

因此，已经提出将具有许多结构的Mn氧化物作为新的正极材料。特别地，与高容量电池的要求一致，已经建议将复合氧化物作为替代品。这种复合氧化物的例子为层状结构的xLi₂MO₃-(1-x)LiMeO₂，其中0＜x＜1以及M和Me可以为Mn。但是，尽管这种具有层状结构的复合氧化物具有高的初始放电容量，但它们还具有高的不可逆容量。即，在初始充电过程中，复合氧化物的Li₂MO₃中的Mn具有如下述反应式中所示的4+的氧化值。这表示Mn不被另外氧化，因此氧与锂一起分解为Li₂O。然后，在放电过程中，由于分解的氧不能可逆地进入组成，仅锂进入该复合氧化物，Mn被还原为3+。因此，Li₂MO₃的初始充电/放电效率维持在50％。

(充电)Li₂Mn⁴⁺O₃-Li₂O→Mn⁴⁺O₂

(放电)Mn⁴⁺O₂+Li→LiMn³⁺O₂

为得到高的放电容量，Li₂MO₃的含量比可以增加到50％或更高。但是，在此情况下，初始不可逆容量也增加。

发明内容

在本发明的一个实施方式中，正极活性材料降低在初始充电时的不可逆容量。

在本发明的另一实施方式中，正极包括该正极活性材料。

在本发明的又一实施方式中，锂电池包括该正极。

根据本发明的实施方式，正极活性材料包括式1表示的层状-尖晶石复合结构的锂金属氧化物。

xLi₂MO₃-yLiMeO₂-zLi_1+dM′_2-dO₄    (1)