[发明专利]锂锰氧化物正极活性材料和包含其的锂离子二次电池

说明书

技术领域

本发明的多个方面涉及一种用于锂离子二次电池的锂锰氧化物正极活性材料和一种包括该锂锰氧化物正极活性材料的锂离子二次电池。更具体地讲，本发明的多个方面涉及一种锂锰氧化物正极活性材料和包括该锂锰氧化物正极活性材料的锂离子二次电池，所述锂锰氧化物正极活性材料包括具有不同尺寸的三种或更多种类型的颗粒的尖晶石型锂锰氧化物。

背景技术

随着锂离子二次电池的应用逐渐从用于小尺寸的电动/电子装置的电源扩展到用于诸如电动车辆的大尺寸的电动/电子装置的电源和能量储存器，对具有改善的特性的用于二次电池的正极活性材料的需求正在增加，所述改善的特性包括高安全性、长寿命、高能量密度和高功率能力。

一般通过提供能够可逆地使锂离子嵌入/脱嵌的正极和负极，并将电解质插入到正极和负极之间的空间中来制造锂离子二次电池。作为基于在正极和负极嵌入/脱嵌锂离子所引起的氧化还原反应的结果，电池产生并储存电能。

各种碳质材料可以用作锂离子二次电池的负极活性材料，并且锂金属氧化物可以用作正极活性材料。

具体地说，因为尖晶石型锂锰氧化物不包括诸如钴的重金属，所以尖晶石型锂锰氧化物对环境友好且高度安全。然而，由于尖晶石型锂锰氧化物按照层状锂金属氧化物的单位重量和体积的低能量密度，所以认为使用尖晶石型锂锰氧化物作为正极活性材料是有问题的。

发明内容

本发明的多个方面提供了一种可以改善锂离子二次电池的功率能力和单位体积能量密度的锂锰氧化物正极活性材料。

本发明的多个方面还提供了一种包括该锂锰氧化物正极活性材料的锂离子二次电池。

根据本发明的一方面，提供了一种用于锂离子二次电池的锂锰氧化物正极活性材料，所述正极活性材料包括混合在其中的具有不同尺寸的三种或更多种类型的颗粒的尖晶石型锂锰氧化物，其中，第一类型的颗粒具有5μm或更大的平均直径，第二类型的颗粒具有1μm或更小的平均直径，第三类型的颗粒具有200nm或更小的平均直径，并且第二类型的颗粒的平均直径大于第三类型的颗粒的平均直径。

第一类型的颗粒的数量与第二类型的颗粒的数量之比以及第二类型的颗粒的数量与第三类型的颗粒的数量之比可以在1和4之间的范围内。

第一类型的颗粒可以是球形。

第三类型的颗粒可以是棒形。

所述锂锰氧化物正极活性材料还可以包括平均直径为40nm或更小的第四类型的颗粒，其中，第三类型的颗粒的平均直径大于第四类型的颗粒的平均直径。

第四类型的颗粒可以是纳米线形。

所述尖晶石型锂锰氧化物可以包括：LiMn₂O₄；至少一种LiM_xMn_2-xO₄，其中，M是从由Ni、Zr、Co、Mg、Mo、Al和Ag组成的组中选择的至少一种，且0＜x＜1；以及至少一种LiM_xMn_2-xO_4-zF_z，其中，M是从由Ni、Zr、Co、Mg、Al和Ag组成的组中选择的至少一种，0＜x＜1且0＜z＜1。

根据本发明的另一方面，提供了一种包括含有所述正极活性材料的正极、负极和电解质的锂离子二次电池。

如上所述，根据本发明，由于使用包括混合在其中的具有不同尺寸的锂锰氧化物颗粒的正极活性材料，所以可以大大改善单位体积的能量密度，并且还提高了功率能力，由此防止了容量特性在高速度充电/放电循环期间劣化，并且最终极大地改善了用在电动车辆中或作为能量储存器的锂锰氧化物二次电池的容量特性。

本发明的其他方面和/或优点将在下面的描述中部分地进行阐述，并部分地根据描述将是明显的，或者可以通过本发明的实施而明了。

附图说明

本发明的目的、特征和优点将通过下面结合附图的详细描述变得更加清楚，其中：

图1示出了假设颗粒是球形的尖晶石型锂锰氧化物颗粒的结构；

图2A至图2D是在制备示例1至制备示例4中合成的LiMn₂O₄颗粒的SEM照片；

图3是示出了在示例1中得到的硬币电池的电池容量测量结果的曲线图；

图4是示出了在对比示例1中得到的硬币电池的电池容量测量结果的曲线图；

图5是示出了在对比示例2中得到的硬币电池的电池容量测量结果的曲线图；

图6是示出了在对比示例3中得到的硬币电池的电池容量测量结果的曲线图；以及