[发明专利]碱金属钛酸盐及它们的合成方法

说明书

相关申请的交叉参考

[0001]本申请要求2006年6月5日提交的，题为“碱金属钛酸盐 及它们的合成方法(Alkali Metal Titanates and Methods for Their Synthesis)”的美国临时专利申请序列号60/810,942的优先权；和2006 年8月17日提交的，题为“掺杂的钛酸锂材料及其制造方法(Doped Lithium Titanate Material and Methods for Its Manufacture)”的美国临时 专利申请序列号60/822,675的优先权，它们都在此被引入作为参考。

技术领域

[0002]本发明一般地涉及碱金属钛酸盐，并且更特别地，涉及钛 酸锂。更特别地，本发明涉及掺杂的钛酸锂并涉及制造钛酸锂材料的 方法，当被掺入锂电池时，所述材料显示出出众的电化学性质。

背景技术

[0003]碱金属钛酸盐具有这样的电化学性质——其使它们成为用 于多种设备的理想的电极材料。钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)已经被发现具有作 为用于锂电池电极材料的特定用途。它是一种相对低成本的材料，并 在锂电池中显示出高性能的特征；因此，它被预期具有用作电极材料 的重要用途，所述材料用于高性能、大功率电池，例如在混合电动汽 车(hybrid electric vehicles)和其它大功率应用中使用的那些。

[0004]大功率、高性能电池的一个重要特征是额定容量(率容量， rate capacity)。即电池能够吸取和输送电荷的速率。这个参数在电动 车和其它大功率应用中遇到的高充电/放电率的情况下特别重要。

[0005]第一循环可逆性是可充电锂电池的另一个非常重要的参 数。当新制造的锂电池被初始循环时，该参数测量存储容量的下降。 制造商通过在电池内构建额外的容量补偿这一初始损失。然而，这种 方法增大了电池的尺寸和成本，并且工业上总是寻求限定大小的第一 循环可逆性。

[0006]多种钛酸锂材料是商业可获得的，并且被用在锂电池的生 产中。然而，迄今为止商业可获得的材料生产具有约80％第一循环可 逆性的锂电池，这表现了显著的低效率。而且，存在提高现有技术电 池的额定容量，使它们适合用于大功率应用的需求。明显地，存在改 善钛酸锂电极材料的需求。

发明概述

[0007]所公开的是掺杂的钛酸锂材料。在特定的情况下，掺杂剂 可包括过渡金属，并且这些金属可以是V、Zr、Nb、Mo、Mn、Fe、 Cu和Co中的一种或多种。掺杂剂可能以高达20原子百分比(atomic percent)的量存在，并且在特定的情况下，在0.1-5原子百分比的范围 内。在特定的情况下，掺杂剂包括Zr。

[0008]进一步公开的是用于制备碱金属钛酸盐，例如掺杂的和/或 未掺杂的钛酸锂的方法。该方法包括制备诸如碳酸锂的碱金属化合物 与钛化合物，例如二氧化钛或一些其它钛氧化物，包括低氧化物的混 合物。该混合物通过球磨研磨、立式球磨研磨(attritor milling)等被冲 击研磨(impact milled)，并且产生的混合物在一定的温度下被加热一 段时间，以足以引起形成碱金属钛酸盐的反应。掺杂剂材料或掺杂剂 前体可在研磨步骤之前或之后被加入到该混合物。

[0009]进一步公开的是包含依据前述碱金属钛酸盐的电极，以及 电池，其中这些电极包括阳极。

附图简述

[0010]图1是显示合成碱金属钛酸盐的方法的流程图；

[0011]图2是时间对温度图，其显示了程序升温反应时间表 (temperature programmed reaction schedule)，其可被用于制备钛酸盐 材料；

[0012]图3是另一个时间对温度图，显示了可被用于制备钛酸盐 材料的另一程序升温反应；

[0013]图4是显示掺入钛酸锂阳极的电池的容量保持的图；

[0014]图5是显示图4电池的循环寿命的图；和

[0015]图6是显示现有技术的电池和掺入本发明钛酸锂材料的电 池的第一循环容量损失的图。

发明详述