[发明专利]电极材料及其在制备电化学电池中的用途

说明书

本发明涉及包含至少一种通式(I)的化合物的电极材料：

Li_aM_bF_cO_d    (I)，

其中变量各自定义如下：

M为至少一种选自Ti、Cr、V和Mn的过渡金属，其中Ti、Cr、V和Mn可被Al、Ga、Ni、Fe或Co部分替换，

a为2.5-3.5，

b为0.8-1.2，

c为5.0-6.5，

d为0-1.0。

本发明进一步涉及包含至少一种本发明电极材料的电极。本发明还涉及包含至少一种本发明电极的电化学电池。

具有高的储存容量以及最大工作电压的电化学电池日益重要。所需容量通常不能由基于含水体系工作的电化学电池获得。

在锂离子电池组中，电荷输送不仅通过或多或少呈水合形式的质子，而且通过在非含水溶剂或在非含水溶剂体系中的锂离子得以确保。电极材料承担特定作用。

文献中已知的许多电极材料为锂和一种或多种过渡金属的混合氧化物；例如参见US 2003/0087154。在电池的充电状态下，这类材料往往降解并与电解质体系反应，以至于最大充电电压在许多情况下是受限的。该限制对电池的可达到的能量密度具有不利影响。高的电池能量密度通常是有利的，特别是对于移动用途而言。

因此，已经找到了开头定义的电极材料，就本发明而言，也将其称作本发明电极材料。

本发明电极材料包含至少一种通式(I)的化合物：

Li_aM_bF_cO_d    (I)，

其中变量各自定义如下：

M为至少一种选自Ti、Cr、V和Mn，优选Mn和V，更优选V的过渡金属。上述过渡金属的混合物也是合适的，如V/Mn混合物或V/Cr混合物。

Ti、Cr、V或Mn可由Al、Ga、Ni、Fe或Co在每种情况下基于M的总含量例如在0.01摩尔%至至多45摩尔%，优选至多10摩尔%，更优选至多2摩尔%的范围内部分替换。可用于替换的优选金属选自Fe、Co和Ni。

在本发明的一个实施方案中，Ti、Cr、V或Mn由金属Al、Ga、Ni、Fe或Co中的至少两种部分替换。

就本发明而言，不认为基于M的总含量小于0.05摩尔%的部分是M的替换。

在本发明的一个实施方案中，Ti、Cr、V或Mn既不被Al，也不被Ga、Ni、Fe或Co替换。

a为2.5-3.5，优选2.8-3.2，

b为0.8-1.2，

c为5.0-6.5，优选5.8-6.2，

d为0-1.0，优选0-0.3，更优选0。

在本发明的一个实施方案中，M的形式氧化态为+3。

在其中d不为0的情况下，M的平均氧化态可大于+3。

在其中d为0的本发明的另一实施方案中，M的平均氧化态为+3，晶格中相应数量的位点保持未被占据。

在本发明的一个实施方案中，Li在至多10摩尔%，如0.01-10摩尔%，优选1-5摩尔%程度上被钠、锌或镁替换。

在本发明的一个实施方案中，其中Li在至多10摩尔%程度上被Na、Zn或Mg替换，M的氧化态为+3，且晶格中相应数量的位点保持未被占据。

在本发明的另一实施方案中，Li在至多10摩尔%程度上被Na、Zn或Mg替换，且相应的是，在被Zn或Mg替换的情况下，F被氧替换。

在本发明的另一实施方案中，Li既不被钠，也不被锌或镁替换。

就本发明而言，不认为基于Li的总含量小于0.05摩尔%的部分是Li的替换。

在本发明的优选实施方案中，a=3，b=1，c=6，d=0。

在本发明的另一优选实施方案中，3<a≤3.5，6<c≤6.5且d=0，其中a和3之差等于c和6之差：

a–3=c–6。

在本发明的一个实施方案中，F在一定比例上被氧替换，即0<d≤1.0，并且Li未被Zn或Mg替换。在这类实施方案中，M的氧化态可大于+3。

通式(I)的化合物可以各种多晶型物，如α多晶型物或β多晶型物存在。

通常而言，通式(I)化合物的α多晶型物具有正交晶格。

通常而言，通式(I)化合物的β多晶型物具有单斜晶格。

特定晶格的结构可通过本身已知的方法，如X射线衍射法或电子衍射法测定。