[发明专利]用于改善碱金属氧阴离子电极材料的电化学性质的方法以及由此获得的碱金属氧阴离子电极材料

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求美国临时申请61/287,200(2009年12月17日提交)的优先权，在此将其全部内容并入作为参考。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及改善碱金属氧阴离子电极材料的电化学性质领域，更具体来说涉及改善其上有热解碳沉积的碱金属氧阴离子电极材料的电化学性质的方法以及涉及由此获得的碱金属氧阴离子电极材料。

2.相关领域说明

用作阴极材料的碱金属氧阴离子(alkali metal oxyanion)已经显示出与电化学性质相关的问题。不期望的低电导性是这类问题中的一个例子。针对碱金属氧阴离子材料(例如碱金属磷酸盐)的低电导性问题的一个显著的改善已经通过在材料表面形成碳沉积而实现。Ravet[例如US 6,855,273、US6,962,666、US 7,344,659、US 7,815,819、US 7,285,260、US 7,457,018、US7,601,318、WO 02/27823和WO 02/27824)]已经提出使用在阴极材料或其前体上热解的有机碳前体，由此形成碳沉积以在阴极颗粒水平改善电场。

在碳沉积的磷酸锂铁(称为C-LiFePO₄)的具体情况中，已经使用了一些方法来获得这样的材料：通过在LiFePO₄粉末上热解碳前体；或者通过使锂、铁和PO₄源以及碳前体同时反应。例如，WO 02/27823和WO 02/27824描述了允许通过下述反应合成C-LiFePO₄的固态热过程：

Fe(III)PO₄+1/2Li₂CO₃+碳前体→C-LiFe(II)PO₄

其中，该碳前体是通过热解过程形成碳沉积并同时产生还原气体的有机材料，上述还原气体有效地还原铁(III)。

已经将这样的方法放大以生产大量电池级阴极材料。但是，作为“单釜(one-pot)”的固态方法涉及多个同时发生的化学、电化学、气相、气固反应、烧结和碳沉积，C-LiFePO₄的电化学性质取决于多个参数诸如表面性质、润湿性、表面积、孔隙率、颗粒大小分布、水含量、晶体结构以及原料化学性质、反应器进料速率、以及气体的流动等。结果，观察到在阴极材料性质、尤其是电化学容量(mAh/g)上的不期望的波动。

在发现能够实现用于电池用途的商购产品的质量升级和一致性的简单和成本有效的化学处理方面存在问题。

发明简述

在一个宽的方面，本发明涉及用于提高其上有热解碳沉积的碱金属氧阴离子电极材料的电化学性质的方法，该方法包括：在潮湿气氛下热处理其上有热解碳沉积的碱金属氧阴离子电极材料或其上有热解碳沉积的碱金属氧阴离子电极材料的前体。

在非限制性实施方式中，改善的电化学性质涉及经处理材料的一致性(consistency)和经处理材料的平均电化学容量(mean electrochemical capacity)。

在非限制性实施方式中，改善的电化学性质涉及经处理材料的活化(activation)。

在非限制性实施方式中，改善的电化学性质涉及如经处理材料的能量比较图(ragone plot)中所表示的电压放电曲线(voltage discharge curve)或功率容量(power capability)的形状(shape)。

在非限制性实施方式中，改善的电化学性质涉及经处理材料的比电化学容量(specific electrochemical capacity)(mAh/g)。

在非限制性具体的实施方式中，改善的电化学性质涉及经处理材料的比表面积(BET，以m²/g表示)。

在非限制性实施方式中，热处理包括在选自下述的范围内的温度条件下进行处理：约300°C~约950°C、约350°C~约950°C、约400°C~约950°C、约450°C~约950°C、约500°C~约950°C、约550°C~约950°C、约600°C~约950°C、约650°C~约950°C、约700°C~约950°C、约750°C~约950°C、约800°C~约950°C、约850°C~约950°C或约900°C~约950°C。