[发明专利]包含离子交换器的电化学电池

说明书

本发明涉及电化学电池，其包含：

(A)至少一个阴极，其包含至少一种包含锰作为过渡金属的含锂离子的过渡金属氧化物；

(B)至少一个阳极；和

(C)至少一个层，其包含：

(a)至少一种呈颗粒形式的离子交换器；

(b)至少一种粘合剂。

本发明还涉及本发明电化学电池的用途。

长久以来，能量储存已成为日益受关注的主题。电化学电池(例如电池组或蓄电池)可用于储存电能。近来，所谓的锂离子电池组已引起特定关注。其在若干技术方面上均优于已知电池组。例如，其可用于产生无法利用基于水性电解质的电池组获得的电压。

用于制备电极的材料，尤其是用于制备阴极的材料在这种情况下发挥重要作用。

在许多情况下，使用含锂的混合过渡金属氧化物，尤其是具有层结构的含锂的镍-钴-锰氧化物或可经一种或多种过渡金属掺杂的含锰尖晶石。然而，许多电池组依然存在循环稳定性问题，这仍然需要改进。具体而言，在那些包含相当高比例的锰的电池组的情况下，例如在具有含锰尖晶石电极和石墨阳极的电化学电池的情况下，在相对短的时间内经常观察到容量的严重损失。此外，在选择石墨阳极作为对电极的情况下，可在该阳极上检测到元素锰的沉积。

WO2009/033627公开一种可用作锂离子电池组的隔离物的层。其包含无纺布和嵌入该无纺布内的颗粒，由有机聚合物组成，且可通过压延变平。这些隔离物可避免由金属树枝状晶体所形成的短路。然而，WO2009/033627并未公开长期循环实验。

因此，本发明目的为提供具有改进寿命且即使在若干次循环之后仍在其中观察不到元素锰的沉积的电池。

因此，已发现在开头所定义的电化学电池。

本发明的电化学电池包含：

(A)至少一个阴极(还简称为阴极(A))，其包含至少一种包含锰作为过渡金属的含锂离子的过渡金属氧化物。

就本发明而言，含锂离子的过渡金属氧化物应理解为不仅意指那些具有至少一种呈阳离子形式的过渡金属的氧化物，而且还意指那些具有至少两种呈阳离子形式的过渡金属的氧化物。此外，就本发明而言，术语“含锂离子的过渡金属氧化物”还包括除锂以外还包含至少一种呈阳离子形式的非过渡金属(例如铝或钙)的那些化合物。

锰可以+4的形式氧化态(formalen oxidation stufe)存在于阴极(A)中。阴极(A)中的锰优选以+3.5至+4的形式氧化态存在。

许多元素普遍存在。例如，在基本所有无机材料中均可检测出某些非常小的比例的钠、钾和氯化物。就本发明而言，忽略比例小于0.1重量%的阳离子或阴离子。因此，就本发明而言，包含小于0.1重量%钠的任何含锂离子的混合过渡金属氧化物被认为不含钠。相应地，就本发明而言，包含小于0.1重量%硫酸根离子的任何含锂离子的混合过渡金属氧化物被认为不含硫酸根。

在本发明的一个实施方案中，含锂离子的过渡金属氧化物为不仅包含锰而且还包含至少一种其他过渡金属的混合过渡金属氧化物。

在本发明的一个实施方案中，含锂的过渡金属氧化物选自含锰的锂离子磷酸盐，优选选自含锰尖晶石和具有层结构的含锰的混合过渡金属氧化物。

在本发明的一个实施方案中，含锂的过渡金属氧化物选自具有超化学计量比例的锂的那些混合氧化物。

在本发明的一个实施方案中，含锰尖晶石选自通式(I)的那些：

Li_aM¹_bMn_3-a-bO_4-d  (I)

其中各变量如下所定义：

0.9≤a≤1.3，优选为0.95≤a≤1.15；

0≤b≤0.6，例如0.0或0.5，其中若所选择的M¹=Ni，则优选0.4≤b≤0.55；

-0.1≤d≤0.4，优选0≤d≤0.1。

M¹选自一种或多种元素，其选自Al、Mg、Ca、Na、B、Mo、W和元素周期表的第一周期(ersten periode)的过渡金属。M¹优选选自Ni、Co、Cr、Zn、Al，M¹最优选为Ni。

在本发明的一个实施方案中，含锰尖晶石选自式LiNi_0.5Mn_1.5O_4-d和LiMn₂O₄的那些。