[发明专利]具有掺混阴极活性材料的非水二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及电活性或电化学活性材料（EAM）、包含该材料的阴极和包含这种阴极的可充电电池。

背景技术

锂离子电池是最流行的可充电电池类型之一，具有下述特征之一：最佳的能量/重量比、无记忆效应、并在不用时具有缓慢电荷损耗。由于它们的高能量密度，锂离子电池在许多用途中越来越流行。这样的用途包括手机、笔记本电脑和车辆，例如电动自行车和轿车。

锂离子电池的三个主要功能部件是阳极（放电过程中的负电极），其含有在电池放电过程中被氧化的材料；阴极，其含有在电池放电过程中被还原的材料；和在阴极与阳极之间提供离子转移的电解质。对所有三个功能部件而言，可以使用各种材料。

一种类型的锂电池使用“插入”阴极和阳极。这种电池被称作“锂离子”电池。阳极和阴极都是锂可迁入和迁出的材料。锂迁入阳极或阴极的过程通常被称作嵌入，相反过程——其中锂迁出阳极或阴极——可以被称作脱嵌。当电池放电时，锂从阳极迁出并插入阴极中。当电池充电时，发生相反过程，即锂从阴极迁出并插入阳极中。因此，插入或“嵌入”电极含有具有晶格结构的材料，离子可插入所述晶格结构中并然后迁出。没有在化学上改变所述嵌入材料，离子使化合物的内晶格长度轻微膨胀而没有大量键断裂或原子重组。

传统的商业锂离子电池的插入阳极由碳制成，或更确切地说由石墨制成，但是其它阳极材料也是已知的，例如锂硫族化物，例如氧化锂，和/或正在研究中。

多种材料已被提出用作适合多次嵌脱循环的锂离子电池的嵌入阴极中的阴极活性材料。这样的材料包括例如MoS₂、MnO₂、TiS₂、NbSe₃、LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、V₆O₁₃、V₂O₅、CuCl₂，过渡金属氧化物，例如通式Li_xM₂O_y的那些，属于在具有嵌入电极的这类电池中优选的材料。其它材料包括锂过渡金属磷酸盐，例如LiFePO₄和Li₃V₂(PO₄)₃。

在充电过程中，锂从阴极转移至阳极，在此嵌入，而在放电过程中，锂从阳极转移至阴极，在此嵌入。锂离子（Li⁺）在充电和放电循环过程中在阳极与阴极之间的这种来回转移使得这些电池被称作“摇椅”电池。

第三功能部件——电解质是在有机、通常非质子和无水的溶剂中的锂盐。

根据用于阳极、阴极和电解质的材料的选择，锂离子电池的电压、容量、寿命和安全性可显著改变。

只有不仅锂离子迁移还有电子流经外电路时，才能提取有用功。因此电子移除和接收的简易性是相关的。

最近已开发出若干新颖和/或改进的电极材料，其中一些基于与导电填充粘合剂和/或与导电粘合剂（为了减重，也是纳米粒子形式）结合的电子活性纳米粒子。对这样的材料的专利申请为例如EP 2 228 854 A1和EP 2 287 946 A1。

还已知将多于一种的电化学活性材料（EAM）组合，以用于制造电极，例如阴极。在例如US 3,981,748、US 7,811,707和US 7,811,708中描述了这样的组合材料。

US 3,981,748公开了磷酸银（Ag₃PO₃）与铬酸银（Ag₂CrO₄）的组合以及磷酸锂（Li₃PO₄）与铬酸银的组合作为锂电池中的阴极材料。作出与铬酸银的组合是为了降低在纯磷酸银的情况中发现的膨胀（其造成不同电压）。

相同申请人的US 7,811,707和US 7,811,708密切相关，并针对提高电池安全性的问题。作为解决方案，它们提出包含钴酸锂和镍酸锂的至少之一、和锰酸盐尖晶石和橄榄石化合物的至少之一的组合物。

US 7,041,239B2公开了旨在改进电极特性（例如循环容量、容量保持率、工作温度特性和电压分布）的二元或三元掺混物。这些材料是橄榄石型材料、碱金属过渡金属氧化物（该过渡金属不同于Mn）和碱金属锰氧化物。