[发明专利]具有改进的热稳定性的锂离子电池组

说明书

本发明的各方面是基于以下发现：具有改进的热稳定性的阴极材料和包含所述阴极材料的锂离子电池组可以由包含锂金属氧化物与锂金属磷酸盐的混合物的阴极材料产生，其中按锂金属磷酸盐的总含量计，所述锂金属磷酸盐中所包含尺寸为0.1到3μm的二级粒子的体积分数为5％到100％。更具体来说，包含具有所叙述二级粒子范围的锂金属磷酸盐的阴极帮助提供能够通过钉子穿透测试而不产生烟气或火焰的阴极材料。还提供形成阴极和包含所述阴极的锂离子电池组的方法。

技术领域

本发明涉及一种制造改进的锂离子电池组(LIB)的方法和制造LIB的阴极。确切地说，本发明涉及包含锂金属氧化物阴极材料的锂离子电池组，其中可以实现改进的电池组特征，如更大的循环寿命、安全性和倍率性能(rate capability)。

背景技术

历经超过数十年，锂离子电池组已用于便携式电子设备，并且最近用于混合式车辆或电动车辆。最初，锂离子电池组首先采用锂钴氧化物阴极。由于费用、毒理学问题和有限的能量容量，已研发或正在研发其它阴极材料。

已经研发并且已经在商业上采用的一类材料是包含镍、锰和钴中的两种或更多种的锂金属氧化物。这些材料一般显示具有单菱面相的分层结构，其中当充电到约4.2伏vsLi/Li⁺的电压时，已经实现初始高比电荷容量(约170mAh/g)。不利的是，这些材料受到与在某些条件下氧气逸出导致火灾相关的较短循环寿命和安全性问题影响。

Li/Li+表示锂参比电极的氧化还原电势，其按照惯例定义为0伏。因此，当使用的除Li金属以外的阳极时，这些电压将降低以考虑在此另一阳极与Li金属之间的电势差异。说明性地，完全充电的石墨阳极的电势为约0.1V vs Li/Li+。因此，当将具有石墨阳极的电池组中的阴极充电到4.25V vs Li/Li+时，电池电压将是大致4.15V。

循环寿命一般作为在达到初始比容量80％的比容量之前的循环(充电-放电)数目。这些材料的每一循环通常在前述4.2伏到2伏之间。这些电池组也已经受到尽管由相同材料制成，但一个电池组或电池与另一个电池组或电池性能不一致影响。

为了解决一些所述问题，本领域已经描述许多涂层、掺杂剂以及其它更稳定阴极材料(如锂铁磷酸盐)的掺合。实例包括描述于美国专利公开第2004/0005265号；第2004/0096743号；第2006/0194112号；和第2009/0305132号；WO专利申请第2008/088180号；第2008/091074号；第2009/057834号；和第2013/016426号以及日本专利第9035715A1号中的那些实例。不利的是，尽管这些可能改进含有包含锂金属氧化物并含有镍、锰、钴或其组合的阴极材料的LIB的安全性，但循环寿命、电池容量或在高放电速率下的容量未得到改进。

因此，将期望提供一种用于形成具有包含镍、锰、钴或其组合的锂金属氧化物的阴极的LIB的方法，所述LIB产生更恒定性能、改进的循环寿命和在更快充电/放电速率下更大的能量容量滞留，同时还改进此类LIB的安全性。

发明内容

本发明的各方面是基于以下出乎意料的发现：具有改进的热稳定性的阴极材料和因此LIB可以由包含锂金属氧化物与锂金属磷酸盐的混合物的阴极材料产生，其中按锂金属磷酸盐的总含量计，所述锂金属磷酸盐中所包含尺寸为0.1到3微米(μm)的二级粒子的体积分数为5％到100％。更具体来说，本发明人已经发现，包含具有所叙述二级粒子范围的锂金属磷酸盐的阴极帮助提供能够通过钉子穿透测试而不产生烟气或火焰的阴极材料。