[发明专利]阴极材料和由其制成的锂离子电池

说明书

发明领域

本发明涉及高电压、高性能的层状阴极材料LiM_xN_yCo_1-x-yO₂，其中x和y是正值(0.01≤x,y≤0.2)，M和N是掺杂剂，并且M是二价碱土金属阳离子，以及N是二价过渡金属阳离子，其基于目前使用的通过锂可充电电池的微波法合成的锂钴氧化物材料。

本发明进一步涉及通过用于锂二次电池微波加热法合成的阴极材料LiM_xN_yCo_1-x-yO₂。

本发明还涉及作为LED照明的能源的锂离子电池，其包含前述阴极材料和高性能碳纸阳极材料（也就是微纤维结构碳片）。

发明背景

1991年，索尼公布了称为锂离子电池的新型锂二次电池，由于它们的高工作电压，从而强烈影响了全世界的电池业。它由两种锂插嵌材料组成，一种用于电化学电池的负电极，而另一种用于电化学电池的正电极。这两种锂插嵌材料的组合执行了锂离子电池的基本功能。高能量密度锂离子充电电池的发展依赖于高能量密度插嵌电极材料的成功发展。

可以参考专利“US2006/0078797”，其中使用石墨阳极和Li₈V₆O₁₃阴极，这提供了140-280Wh/kg的能量密度。

美国专利US7736809B2公开了阴极活性材料在集流体上的逐层组装件，且阳极是沉积锂的铜，其提供140-180Wh/kg的能量密度。

可以参考美国专利“US7704637B2”，其中锂离子电池在500次循环后提供70-75%的容量保持率，该锂离子电池使用常规的活性材料作为阳极和阴极，分隔体是多孔弹性体。

碳基阳极材料（主要是石油焦）已被认为是具有372mAh/g比容量的插嵌阳极材料。在目前的锂离子电池中，碳通常涂覆于铜箔集流体上。这种材料在实际电池中仅提供150-170mAh/g。

可以参考专利“US7,285,358B2”，其中碳源包含厚度范围为1至约300nm并且产生良好的电化学性能的非晶碳或晶体碳。

可以参考专利“US2009/0117467Al”，其中公开了纳米级石墨烯片基复合材料，该材料显示出超常的比容量、优秀的可逆容量和长循环寿命。

可以参考专利“US6,503,660B2”，其中公开了由石墨片构成的晶体石墨碳纳米纤维，其提供最高的放电容量和循环稳定性。然而，所有上述的石墨基阳极材料均显示出大的不可逆容量。

锂化的过渡金属氧化物（即LiCoO₂,LiMn₂O₄和LiNiO₂）主要被认为是锂离子电池的阴极材料。LiNiO₂在充电过程中具有安全性问题，引起诸如过量气体释放、电池电阻积累、电解质分解等难点。LiMn₂O₄是一种环保的阴极材料，其具有很多优点诸如低成本、安全、价格以及低毒性。主要缺点是结构不稳定性。由于如上所述的问题，研究者主要致力于改善LiCoO₂阴极材料的性能。LiCoO₂阴极材料首先由Mizushima等人在1980年代提出（“Li_xCoO₂(0<x<l):A new cathode material for batteries of high energy density-K.Mizushima,P.C.Jones，P.J.Wiseman,J.B.Goodenough,Mater.Res.Bull.15(1980)783”），具有层结构的LiCoO₂阴极材料由于其容易合成和高可逆性而被用作大多数商业锂离子电池中的优选阴极材料，然而仍在进行积极研究以便对其加以改善。

在充电和放电发生时，LiCoO₂中Co的价数变化如下：

Li⁺Co³⁺O₂²-→Li⁺+Co⁴⁺O₂^2-+e^-