[发明专利]用于高电压锂电池的非水电解质

说明书

本发明涉及正电极/电解质对以及包含这样的对的锂电池。

锂(锂离子)电池越来越多地用作自足式动力源，特别是在便携式设备(电话、电脑、摄录像机、摄影器械、工具等)中，它们逐步取代镍、镉(Ni-Cd)和金属镍-氢化物(Ni-MH)电池。数年来，锂离子电池的销售已经超过Ni-MH和Ni-Cd电池的销量。将这种发展可解释为锂电池性能的不断改进，这样赋予它们比由Ni-Cd和Ni-MH技术所提供的明显更大的质量和体积能量密度。尽管第一锂离子蓄电池具有大约80-90Wh/kg的能量密度，但从现在起获得了接近200Wh/kg的能量密度(能量密度与整个锂离子电池的质量有关)。作为对比，Ni-MH电池具有约100Wh/kg的最大能量密度，而Ni-Cd电池具有大约50Wh/kg的能量密度。

新一代的锂电池已在开发之中，以用于甚至更加多样化的应用中(混合动力或全电动汽车，利用光伏电池的能量储存等)。为了满足甚至更大的(每单位质量和/或体积的)操作和能量电势要求，已经进行了研究以开发用于甚至更加有效的锂离子电池电极的新材料以及用于能够在宽泛电势范围内运行的电解质的新材料。

在商用锂离子电池中使用的活性电极化合物，对于正电极而言为层状化合物，例如LiCoO₂、LiNiO₂和混合型化合物Li(Ni、Co、Mn、Al)O₂，或者具有尖晶石结构的化合物，例如LiMn₂O₄及其衍生物。负电极通常为碳(石墨、焦炭等)或可能为尖晶石氧化物Li₄Ti₅O₁₂或者与锂形成合金的金属(Sn、Si等)。所涉及的正电极化合物的理论和实际比容量对于具有层状结构的氧化物(LiCoO₂和LiNiO₂)而言分别为大约275mAh/g和140mAh/g，对于尖晶石LiMn₂O₄而言分别为148mAh/g和120mAh/g。在所有的情形中，相对于金属锂获得接近于4伏的工作电压。

此外，已知增加正电极材料的容量和/或提高正电极材料的氧化还原电势对于电池的总能量密度的增加比在负电极的相同量级的增加具有更大的影响。

此外，在过去的几年中，已经进行了许多研究项目，其目的是提供具有高电压容量的新的正电极材料。近来，已经开发出具有高电压电化学活性的正电极材料，其相对于Li⁺/Li超过4.2V，以提高锂电池的能量密度并且可以在需要高电压的应用中减少串联使用的元件的数目。在新的有前景的化合物中，正磷酸盐LiCoPO₄和LiNiPO₄，LiNi_0.5Mn_1.5O₄和LiNi_0.4Mn_1.6O₄型的尖晶石氧化物，Li(Mn、Co、Ni)O₂、Li₂MnO₃、Li(Mn、Co、Ni)O₂型的层状氧化物以及它们的衍生物可以作为(至少部分地)在相对于Li⁺/Li高于4.2V或者相对于Li⁺/Li甚至高于4.5V的电压下工作的化合物的实例提及。例如，在化合物LiCoPO₄的情况下，在相对于Li⁺/Li为大约4.8V下发生电化学活性(相应于Co²⁺离子的氧化)。