[发明专利]具有高比容量的富锂型掺氟金属氧化物正电极电池材料和相应电池

说明书

相关申请案的交叉引用

本申请案主张库玛尔(Kumar)名为“具有高能量密度的层状锂金属氧化物阴极电池材料(Layered Lithium Metal Oxide Cathode Battery Materials With High Energy Density)”的同在申请中的美国临时专利申请案61/101,432的优先权，此案以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及具有高容量的富锂型掺氟金属氧化物组合物。本发明进一步涉及由所述掺氟组合物作为正电极活性材料形成的锂二次电池。另外，本发明涉及用于形成富锂型掺氟金属氧化物的低温合成法。

背景技术

锂电池因其具有相对高的能量密度而广泛用于消费电子产品中。可再充电的电池又称为二次电池，且锂离子二次电池一般具有在电池充电时并入锂的负电极材料。对于一些当前商业电池，负电极材料可为石墨，且正电极材料可包含氧化锂钴(LiCoO₂)。实际上，一般仅可使用阴极理论容量的合适的一小部分。目前至少两种其它基于锂的阴极材料也用于商业用途中。这两种材料是具有尖晶石结构的LiMn₂O₄和具有橄榄石结构的LiFePO₄。这些其它材料不曾使能量密度有任何显著的改善。

锂离子电池根据其应用，一般分为两个类别。第一个类别包含高功率电池，其中锂离子电池单元经设计以释放大电流(安培)用于诸如动力工具(power tool)和混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle，HEV)等应用。然而，故意使这些电池单元的能量偏低，因为提供大电流的设计一般会降低从电池释放出的总能量。第二个设计类别包含高能量电池，其中锂离子电池单元经设计以释放小电流至中等电流(安培)用于例如蜂窝式电话(cellular phone)、膝上型电脑(lap-top computer)、电动汽车(Electric Vehicle，EV)和插电式混合动力电动汽车(Plug in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)等应用且释放的总容量较高。

发明内容

第一方面，本发明涉及一种电活性组合物，其包含由式Li_1+xNi_αMn_βCo_γA_δO_2-zF_z近似表示的结晶材料，其中：

x为约0.02至约0.19，

α为约0.1至约0.4，

β为约0.35至约0.869，

γ为约0.01至约0.2，

δ为0.0至约0.1，且

z为约0.01至约0.2，

其中A为Mg、Zn、Al、Ga、B、Zr、Ti、Ca、Ce、Y、Nb或其组合。

另一方面，本发明涉及一种合成氟氧化物组合物的方法，所述方法包含在约150℃至约700℃的温度下加热与由式Li_1+xNi_αMn_βCo_γA_δO₂近似表示的金属氧化物接触的氟源至少约10分钟，形成氟氧化物组合物，其中x在约0.02至约0.25范围内，α在约0.1至约0.4范围内，β在约0.35至约0.869范围内，γ在约0.01至约0.3范围内，且δ在约0至约0.1范围内，且其中A为Mg、Zn、Al、Ga、B、Zr、Ti、Ca、Ce、Y、Nb或其组合。在一些实施例中，氟源为NH₄HF₂。本文中的资料提供使用此方法形成的组合物为新颖组合物并提供所需的电池性能的证据。