[发明专利]用于高电压的正极活性材料和包含其的锂二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及用于高电压的正极活性材料和包含所述正极活性材料的锂二次电池。更具体地，本发明涉及一种正极活性材料和包含所述正极活性材料的锂二次电池，所述正极活性材料包含：具有由下式1表示的组成的尖晶石型化合物粒子；和存在于所述尖晶石型化合物粒子的表面上的金属氧化物或金属氢氧化物。

Li_1+aM_xMn_2-xO_4-zA_z(1)

(其中在本发明的说明书中对a、x和z进行了定义)。

背景技术

随着信息技术(IT)的发展，各种便携式信息和通信装置已经开始广泛使用，由此21世纪将发展成为“信息社会”，其中无论何时何地都将获得高质量的信息服务。

在向信息社会的这种发展中，锂二次电池发挥关键作用。

锂二次电池比其他二次电池具有更高的运行电压和能量密度并使用更长的时间，由此随装置的多样性和更高的复杂性而能够满足复杂的要求。

近来，在全球范围内通过常规锂二次电池的进一步发展将更多的努力付诸于将应用扩展到环境友好运输系统如电动车辆等、电力存储等。

用作中型和大型装置如电动车辆或能量存储系统(ESS)的电源的二次电池要求高输出、高能量密度和高能量效率。尽管LiMn₂O₄具有这种价格低、输出高等的优势，但当与锂钴氧化物相比时，其能量密度低。

发明内容

技术问题

本方面的发明人确认，在其中LiMn₂O₄的一部分锰(Mn)被诸如镍(Ni)等的金属取代以提高具有约4V运行电势(约3.7V～4.3V)的LiMn₂O₄的低能量密度特性的化合物的开发过程中，所述化合物的一部分锰被诸如镍等的金属取代，所述化合物具有4.6V以上的高运行电压，由此即使在电池的正常运行范围内电解质仍发生分解，且由于与电解质的副反应导致电池性能劣化。在具有约4V运行电压的LiMn₂O₄中未观察到这种问题。

因此，本发明的目的是解决上述问题，并提供一种用于5V级别的高电压的正极材料和一种制备所述正极材料的方法。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供一种正极活性材料，所述正极活性材料包含：具有由下式1表示的组成的尖晶石型化合物粒子；和存在于所述尖晶石型化合物粒子的表面上的金属氧化物或金属氢氧化物。

Li_1+aM_xMn_2-xO_4-zA_z(1)

其中M是选自如下元素中的至少一种元素：Ni、Ti、Co、Al、Cu、Fe、Mg、B、Cr、Zr、Zn和第II周期的过渡金属；

A为一价阴离子或二价阴离子；以及

-0.1≤a≤0.1，0.3≤x≤0.8，0≤z≤0.1。

式1的尖晶石型化合物与具有约4V运行电势(约3.7V～4.3V)的LiMn₂O₄的不同之处在于，式1的尖晶石型化合物具有4.6V以上且4.9V以下的运行电势。因此，当与LiMn₂O₄比较时，式1的尖晶石型化合物可以具有更高的能量密度特性。

金属氧化物或金属氢氧化物可以与尖晶石型化合物的表面发生物理结合和/或化学结合。

所述金属氧化物或金属氢氧化物可以完全或部分覆盖尖晶石型化合物粒子的表面。特别地，可以覆盖尖晶石型化合物粒子的表面的20％以上且100％以下。作为非限制性实施方案，可以覆盖尖晶石型化合物粒子整个表面的50％以上且80％以下。由于覆盖有金属氧化物或金属氢氧化物的部分的表面能变化，所以可以抑制锰的洗脱。

所述金属氧化物或金属氢氧化物充当保护层以抑制与电解质的反应。所述保护层通过在高电压下的充电和放电期间阻断电解质与式1的化合物的直接接触而抑制电解质的副反应。结果，根据本发明的正极活性材料可以具有稳定的充电和放电循环特性，由此可以提高可逆的充电和放电容量。

作为本发明的非限制性实施方案，式1的化合物可以为下式2的化合物。