[发明专利]用于高性能锂电池阴极的LiMPO4基物质组合物

说明书

优先权声明

本申请要求2010年1月11日提交的题为“Modified LiFePO₄ cathode materials with ultrafast charge rate and ultrahigh power density for high performance Li Batteries”的美国临时专利申请序列号61/335,688的优先权。

技术领域

本申请涉及Li基电池，特别涉及用于高性能电池例如Li充电电池的阴极的LiMPO₄基物质组合物，其中M为至少一种过渡金属。

背景技术

对于大规模储能应用，例如下一代电动汽车或混合电动汽车、电子设备和其它高性能工具、机器等，Li充电电池是目前最有前景的候选者。在各种类型的Li充电电池中，橄榄石结构的LiFePO₄或LiMPO₄(通常其中M可以是一种或更多种过渡金属)由于其高容量和结构稳定性(安全性)因而是电动汽车中最有前景的阴极材料之一。但是，其10^-9S/cm的低固有电导率阻止完全利用该材料至其理论容量。此外，Li⁺离子扩散系数非常低，即10^-11至10^-10cm²s^-1。

橄榄石结构的LiMPO₄的这两个固有缺点是其在商业应用中使用的瓶颈。此外，高电流密度下的可逆容量损失是LiMPO₄例如LiFePO₄和LiMnPO₄等的另一个缺点。高电流密度下性能差被认为与由低固有电子和离子电导率导致的极化直接相关。已经有许多改进LiFePO₄的尝试，包括掺杂不同元素进入LiFePO₄，但这些尝试还不能克服上述缺点以实现在高充放电电流密度下具有高性能的LiFePO₄基阴极。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种通过掺杂钌来提高改性锂金属磷酸盐材料的电导率的方法。

本发明的另一方面是一种物质组合物，其包括通式LiMPO₄限定的材料，其中M为至少一种过渡金属(如，Fe、Mn、Ni和Co)，并且其中所述材料具有一般晶格结构。该材料还包括Ru离子，其取代一般晶格结构中的至少一种过渡金属M和Li离子中的至少其一。

示例性材料(物质组合物)的通式为Li_1-αxRu_xMPO₄，其中α是常数并且等于化学计量形式的Ru化学价，而不是等于非化学计量形式的Ru化学价，并且0＜x＜1/α。在一个实施例中，参数α等于Ru化学价，其可以是2+～8+(即，2≤α≤8)。

另一种示例性材料是磷酸锰锂材料，其使用锰(Mn)作为所述过渡金属并且具有通式LiMn_1-αx/2Ru_xPO₄，其中α是常数并且等于化学计量形式的Ru离子化学价，而不是等于非化学计量形式的Ru离子化学价，并且0＜x＜1/α。在另一个实施例中，参数α等于Ru离子化学价，其可以是2+～8+。磷酸锰锂材料具有作为Li离子充电电池中的活性阴极材料的应用。

因此，本发明的另一方面是一种物质组合物，所述物质的通式为Li_1-αxRu_xMPO₄或LiRu_xM_1-αx/cPO₄，其中α等于Ru离子化学价，M为至少一种过渡金属，并且c为M的化学价。

本发明的另一方面是一种物质组合物，其包括通式为Li_1-αxRu_xMPO₄或LiRu_xM_1-αx/cPO₄的锂金属磷酸盐材料体系，其中α不等于钌离子化学价，并且c为M的化学价。