[发明专利]具有低不可逆容量损失的经表面和整体改性的高容量层状氧化物阴极

说明书

发明的技术领域

本发明一般地涉及锂离子阴极材料领域，更具体地涉及具有O3型结 构的LiCoO₂的层状锂过渡金属氧化物阴极材料的用途。

背景技术

在不限制本发明范围的情况下，描述其与层状锂离子电池电极和层状 锂离子电池电极材料相关的背景。

便携式电子装置的小型化已建立了更小、更轻、更耐久的电池作为它 们电源的需求。为了满足这种需求，已经开发了具有高容量、小尺寸和重 量轻的锂离子电池。通常，锂离子电池具有可以在不需要电沉积锂金属的 情况下吸藏和释放锂离子的电极。锂离子可以从阳极迁移至电解质中并从 电解质中(通过插层作用)吸藏在阴极上。阳极通常是由碳质材料制成的， 而阴极是由锂过渡金属氧化物制成的。

虽然锂金属氧化物的阴极材料具有大约280mAh/g的理论容量，但是 在实践中不能实现这些材料的满容量，而只可以使用大约140mAh/g。此 外，充电过度导致了使这些材料循环能力下降的锂去除。

此外，氧化钴锂和氧化镍锂还会在充电过度时经历分解反应。例如， 层状LiNi_0.5O₂在加热到200℃以上，在大约245℃时转化成尖晶石结构的 LiNi₂O₄，去锂化材料由于分解也经历明显的氧生成和热释出。

发明内容

本发明人认识到，由于在深度充电时化学和结构的不稳定性，目前所 使用的LiCoO₂仅50％的理论容量用于实际的锂离子电池中，并且认识到， 钴相对昂贵且有毒性。本发明人认识到，需要一种阴极材料，其相比于目 前所使用的LiCoO₂阴极，具有高得多的容量、较低的成本和更好的安全 性特征。

本发明提供了层状氧化物阴极组合物和表面改性方法，所述表面改性 方法用于减小不可逆的容量损失和将放电容量提高至大约理论值，包括接 近每化学式单位一个锂离子的可逆萃取(extraction)。表面改性抑制了阴 极表面与电解质之间不期望的反应，改变了固体-电解质界面(SEI)层， 从而降低了不可逆的容量损失。

层状(1-x)Li[Li_1/3Mn_2/3]O₂·xLi[Mn_0.5-yNi_0.5-yCo_2y]O₂阴极，属于在 Li[Li_1/3Mn_2/3]O₂与[Mn_0.5-yNi_0.5-yCo_2y]O₂之间的固溶体系列，其中x值为0-1， 而y值为0-0.5，该阴极已被合成，并且其特征在于，在用如Al₂O₃、CeO₂、 ZrO₂、ZnO、TiO₂、SnO₂和SiO₂的氧化物对它们的表面改性之前和之后， 以及用金属和非金属离子如Al³⁺和F^-的阳离子和阴离子取代物对它们的整 体和表面进行改性之前和之后，在锂电池中的充电-放电测量。经表面改性 的阴极相比于未经改性的对应物，显示出明显较低的不可逆容量损失 (ICL)、较高的放电容量和优异的循环能力。例如， Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂，其中x＝0.4且y＝1/6，显示出285mAh/g的显 著高容量、41mAh/g的不可逆容量损失和良好的倍率性能(rate capability)。 该容量值远远高于先前已知的Li[Li_0.17Mn_0.58Ni_0.25]O₂，其中x＝0.5且y＝0， 在相似的表面改性之后所实现的容量值(＜255mAh/g)。