[发明专利]具有高比容量和优异循环的层层富含锂的复合金属氧化物

说明书

相关申请案交叉参考

本申请案主张2009年8月27日申请的颁予文卡塔查拉姆(Venkatachalam)等人的标题为“用于锂离子电池的阴极组合物(Cathode Compositions for Lithium Ion Batteries)”的共同待决美国临时专利申请案序号61/237,344的优先权，所述案件以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及提供合意的性能性质的复合金属氧化物的合意组成范围。

背景技术

锂电池因其相对高能量密度而广泛用于消费性电子装置中。可再充电电池还称作二次电池，且锂离子二次电池通常具有插入锂的负电极材料。对于一些现有市售电池来说，负电极材料可为石墨，且正电极材料可包含锂钴氧化物(LiCoO₂)。实际上，仅大约50％的阴极理论容量可用，例如约140mAh/g。目前在商业应用中还有至少两种基于锂的其它阴极材料。这两种材料为具有尖晶石结构的LiMn₂O₄和具有橄榄石结构的LiFePO₄。这些其它材料在能量密度方面并未提供任何显著改进。

锂离子电池根据其应用可分为两类。第一类涉及高功率电池，其中将锂离子电池单元设计为可在例如电动工具和混合电动车(HEV)等应用中递送高电流(安培)。然而，如此设计使这些电池单元能量降低，这是因为提供高电流的设计通常会降低可从电池递送的总能量。第二类设计涉及高能量电池，其中将锂离子电池单元设计为可在例如蜂窝式电话、膝上型计算机、电动车(EV)和插电式混合电动车(PHEV)等应用中递送低到中等电流(安培)且递送较高总容量。

发明内容

在第一方面中，本发明涉及用于锂离子电池的正电极活性组合物，其包含近似地由式x Li₂MnO₃·(1-x)Li Ni_u+ΔMn_u-ΔCo_wA_yO₂表示的层层锂金属氧化物，x为至少约0.03且不大于约0.47，Δ的绝对值通常不大于约0.2，2u+w+y近似地等于1，w在0到1的范围内，u在0到0.5的范围内且y不大于约0.1，前提条件为(u+Δ)和w不同时为0，其中可选氟掺杂剂可替代不超过约10摩尔％的氧。

在又一方面中，本发明涉及合成正电极活性组合物的方法，所述方法包含共沉淀前体组合物、在工艺中的所选点时添加锂源、和加热前体组合物以分解前体组合物从而形成金属氧化物。前体组合物可包含对应于近似地由式x Li₂MnO₃·(1-x)Li Ni_u+ΔMn_u-ΔCo_wA_yO₂表示的产物组合物的所选量的锰以及镍和/或钴，x为至少约0.03且不大于约0.47，Δ的绝对值通常不大于约0.2，2u+w+y近似地等于1，w在0到1的范围内，u在0到0.5的范围内且y不大于约0.1，前提条件为(u+Δ)和w不同时为0，其中可选氟掺杂剂可替代不超过约10摩尔％的氧。

在其它实施例中，本发明涉及用于锂离子单元的正电极活性材料，其包含近似地由式Li_1+bNi_αMn_βCo_γA_δO_2-zF_z表示的层状锂金属氧化物，其中b在约0.04到约0.3的范围内，α在0到约0.4的范围内，β在约0.2到约0.65的范围内，γ在0到约0.46的范围内，δ在约0到约0.15的范围内且z在0到0.2的范围内，前提条件为α和γ不同时为0，且其中A为Mg、Sr、Ba、Cd、Zn、Al、Ga、B、Zr、Ti、Ca、Ce、Y、Nb、Cr、Fe、V、Li或其组合，且所述正电极活性材料在室温下以2C的放电速率放电时在第10次循环的放电容量为至少约180mAh/g。

在其它实施例中，本发明涉及锂离子电池，其包含含有石墨碳活性材料的负电极、正电极、位于正电极与负电极之间的隔离件和包含锂离子的电解质。在一些实施例中，正电极活性材料在室温下以C/3速率从4.5伏放电到2.0伏时呈现至少约200mAh/g的比放电容量。电池在至少约30％的充电状态下可具有至少约3.4伏的平均电压和不大于约6mΩ的脉冲DC电阻。

附图说明