[发明专利]锂金属复合氧化物和使用其的电化学装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂金属复合氧化物，其由于金属排列的改善而具有结晶稳定性和高密度特性。本发明还涉及一种包含该锂金属复合氧化物的电极，以及一种包含该电极并因此具有高容量和长循环寿命特性的电化学设备。 

背景技术

最近，由于电气电子设备移动性和便携性提高，对二次电池的需求也快速增长。锂二次电池在20世纪90年代初期由索尼公司开始工业生产，并由于其与之前的Ni-Cd和Ni-MH电池相比具有重量轻和容量高的优点，因此占据了大部分移动电话和笔记本电脑市场。最近，这些锂二次电池更加广泛地应用于电力工具、电动自行车、电动摩托车、游戏机、无绳吸尘器、服务机器人和混合动力车等之中的高输出大容量电池。 

锂离子二次电池一般包括作为阴极活性材料的钴酸锂(LiCoO₂)，作为阳极活性材料的碳，和作为电解质的六氟磷酸锂。虽然具有层状结构的钴酸锂(LiCoO₂)和镍酸锂(LiNiO₂)，以及具有尖晶石结构的锰酸锂都是已知的阴极活性材料，但出于商业考虑，实践中使用最多的是钴酸锂。然而，钴作为主要成分不仅供需不稳定，而且价格昂贵，因此商业上开始使用由其他过渡金属例如镍和锰部分地替代钴所获得的材料或者含很少或不含钴的尖晶石锰酸锂等。另外，已开发了即使在高电压下也具有高度的结构稳定性的新化合物，或者通过将现有的阴极材料掺杂以其他金属氧化物或者覆以其他金属氧化物来改善稳定性而得到的材料。 

在以前制备阴极活性材料的方法中，最广为人知的方法包括干式煅烧法(dry calcination method)和湿式沉淀法(wet precipitationmethod)。根据干式煅烧法，阴极活性材料是通过将一种过渡金属——例如钴(Co)——的氧化物或氢氧化物与作为锂来源的碳酸锂或氢氧化 锂在干燥状态下混合，然后以700-1000℃的高温煅烧该混合物5-48小时而制备的。由于干式煅烧法是经常使用的传统技术，因此其优点为容易实行。然而，由于其难以将原材料混合均匀，因此其具有难以获得单相产物的缺点；而且对于由两种或两种以上过渡金属组成的多成分阴极活性材料，其难以将两种或两种以上的元素在原子水平上均匀排列。另外，使用将阴极活性材料以特定金属组分掺杂或取代以提高电化学性能的方法时，存在的问题是少量添加的特定金属组分难以混合均匀，并且在研磨和分级以获得所需尺寸颗粒的过程中必然有所损失。 

另一种制备阴极活性材料的常规方法是湿式沉淀法。根据湿式沉淀法，阴极活性材料是通过以下方法制备的：将含有过渡金属——例如钴——的盐溶于水中，在该溶液中添加碱使该过渡金属以过渡金属氢氧化物的形式沉淀下来，过滤并干燥沉淀物，将该干物质与作为锂来源的碳酸锂或氢氧化锂在干燥状态下混合，然后以700-1000℃的高温煅烧该混合物1-48小时。已知湿式沉淀法通过将两种或两种以上的过渡金属元素共沉淀可以容易地得到均匀的混合物，但其问题是其需要较长一段时间进行沉淀反应、实施采用的工艺复杂以及产生副产品废酸。另外，多种方法，包括溶胶-凝胶技术、晶体生长水热法、喷雾热解法和离子交换法，已被提议作为锂二次电池阴极活性材料的制备方法。