[发明专利]纳米级离子贮存材料

说明书

本申请是优先权日为2005年8月8日、发明名称为“纳米级离子贮存材料”的中国发明专利申请200680035978.5（国际申请号为PCT/US2006/030579）的分案申请。

技术领域

本领域包括离子贮存材料，并且特别是用于例如蓄电池的装置中的纳米级离子贮存材料。

背景技术

离子贮存材料广泛应用于蓄电池及其它电化学装置。包括碱过渡金属磷酸盐的多种离子贮存材料是已知的。这类化合物典型地具有约3g/cm³-5g/cm³的晶体比重值，并且可以按许多结构类型结晶。例子包括橄榄石(A_xMXO₄)、NASICON(A_x(M’,M”)₂(XO₄)₃)、VOPO₄、LiVPO₄F、LiFe(P₂O₇)或Fe₄(P₂O₇)₃结构类型的有序或部分无序结构，其中A为碱离子，且M、M’和M”为金属。许多这样的化合物具有比电化学应用的理想值低的相对低的电子传导率和碱离子传导率。许多这样的化合物还表现出有限的固溶范围。例如，科技文献中广泛报道的LiFePO₄在室温下具有极其有限的固溶范围。

文献中报道了“纳米晶体”离子贮存材料。例如，Prosini等在“A New Synthetic Route for Preparing LiFePO₄wi th Enhanced Electrochemical Performance,”J.Electrochem.Soc.,149:A886-A890(2002)中描述了作为纳米晶体的比表面积为8.95m²/g的LiFePO₄。然而，这些材料虽然略有改进，但不具有足够小的尺度以提供与它们的较大尺度的对应物常规离子贮存材料相比显著不同的性能（例如，在超过5C的高倍率下接近理论的容量）。

发明内容

提供了纳米级离子贮存材料，这些材料表现出与它们的较大尺寸的对应物显著不同的独特性能。例如，公开的纳米级材料可表现出提高的电子传导率、改善的电机械稳定性、提高的插层率和扩展的固溶范围。

在一方面，提供了用作离子贮存材料的锂过渡金属磷酸盐材料，该材料包括至少两个共存相，包括富锂过渡金属磷酸盐相和贫锂过渡金属磷酸盐相，其中该两相之间的摩尔体积百分比差异小于约6.5%。

在一个或多个实施方案中，锂过渡金属磷酸盐材料的两相之间的摩尔体积百分比差异小于约6.40%、或小于约6.25%、或小于约5.75%、或小于约5.5%。

在一个或多个实施方案中，锂过渡金属磷酸盐材料的所述至少两个存在相是晶态并且由具有各主轴的晶格参数的晶胞所限定，并且其中所述晶胞的至少两个主轴的晶格参数的差异小于3%。

在一个或多个实施方案中，晶胞所有主轴的晶格参数的差异小于4.7%，或晶胞所有主轴的晶格参数的差异小于4.5%，或晶胞所有主轴的晶格参数的差异小于4.0%，或晶胞所有主轴的晶格参数的差异小于3.5%。

在一个或多个实施方案中，锂过渡金属磷酸盐材料的任两个主轴的晶格参数最小乘积的差异小于1.6%，或任两个主轴的晶格参数最小乘积的差异小于1.55%，或任两个主轴的晶格参数最小乘积的差异小于1.5%，或任两个主轴的晶格参数最小乘积的差异小于1.35%，或任两个主轴的晶格参数最小乘积的差异小于1.2%，或任两个主轴的晶格参数最小乘积的差异小于1.0%。

在一个或多个实施方案中，锂过渡金属磷酸盐材料的任两个主轴的晶格参数最大乘积的差异大于4.7%，或任两个主轴的晶格参数最大乘积的差异大于4.8%，或任两个主轴的晶格参数最大乘积的差异大于4.85%。

根据一个实施方案，该纳米级材料具有由晶体的任何主轴形成的平面，沿该平面测得的作为面积改变的应变小于约1.6%、或小于约1.5%、或小于约1.4%。根据另一实施方案，由晶体的任何主轴形成的平面均不具有超过8%或7.5%或6%的应变。

在一个或多个实施方案中，该锂过渡金属磷酸盐材料具有至少约20m²/g、或至少约35m²/g、或至少约50m²/g的比表面积。