[发明专利]用作阴极材料的铬掺杂的钛酸锂

说明书

技术领域

本发明涉及适于锂-电池的阴极材料、铬掺杂的钛酸锂和其制备方法以及配装有此材料的锂-电池和/或-蓄电池。

背景技术

未经掺杂的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂，LTO)可用作锂-离子-蓄电池的负电极(也称为阳极)中的所谓的阳极材料。

未经掺杂的钛酸锂描述成典型的尖晶石结构(A²⁺B³⁺O₄^2-)，特别是也描述为Li(Li_1/3Ti_5/3)O₄形式。未经掺杂的钛酸锂具有晶格常数a为8.35950?的空间群Fd-3m的立方晶胞。其中该8a-四面体位点和16d-八面体位点由Li⁺-离子部分占位，而所有的Ti⁴⁺-离子和其余的Li⁺-离子定位于16d-八面体位点处。

未经掺杂的钛酸锂虽具有一定的锂离子传导率，但仅具有非常有限的导电率。

Y.-K.Sun等人在JournalofPowerSources(2004,125,2,第242-245页)中描述了用作二次锂-蓄电池的阳极材料的具有尖晶石结构的Li[Li_(1-x)/3Cr_xTi_(5-2x)/3]O₄的电化学研究，其中0≤x≤1.0。

在PhysicaStatusSolidi(b)(2006,243,8,第1835-1841页)中描述了阳离子掺杂对Li₄Ti₅O₁₂导电率的影响的理论研究。

发明内容

本发明的目的是提供适于锂-电池的阴极材料，该材料包含有铬掺杂的钛酸锂。特别是该阴极材料可以是适于锂-硫-电池如锂-硫-固体电池的阴极材料。

阴极材料特别是可意指这样一种材料，该材料设计用于形成电化学电池，特别是蓄电池的正电极(也称为阴极)或包含在其中。

已表明，与锂离子传导率可为1.2?10^-8S/cm和锂-扩散系数可为10^-13cm²/s的未经掺杂的钛酸锂相比，通过铬掺杂可有利地提高离子传导率。在此，锂离子-扩散系数(D_Li+)可有利地达到约10^-11-10^-12cm²/s。因此，铬掺杂的钛酸锂可有利地用作尤其三维的固体-锂离子导体。

此外，与导电率可为2.1?10^-11S/cm的未经掺杂的钛酸锂相比，通过铬掺杂也可有利地稍微提高导电率。阻抗谱分析(EIS；ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy)己表明，通过铬掺杂可使导电率提高到＞10^-10S/cm，并且通过例如经由下面详述的在还原性气氛下的焙烧可引入的氧空穴甚至可使导电率提高到＞10^-5S/cm。因此，铬掺杂的钛酸锂也可有利地用作尤其三维的固体-电子导体，并由此也特别可用作所谓的混合导体。

此外，特别是与未经掺杂的钛酸锂可呈同构的铬掺杂的钛酸锂，在锂离子嵌入和脱出时可具有高的结构稳定性和形态稳定性或尺寸稳定性。

此外，通过铬掺杂也可有利地提高比表面。

已令人意外地发现，特别是具有尖晶石结构的铬掺杂的钛酸锂，由于其提高的锂离子传导率、提高的导电率、高的结构稳定性和比表面，可特别有利地用作电化学应用如锂-电池，例如锂-硫-电池中的阴极材料。在此，铬掺杂的钛酸锂特别可用作锂-硫-电池如锂-硫-固体电池的阴极材料中的导电基质材料或导电基质，因为元素硫本身是绝缘的，所以其阴极材料通常需要至少一种具有高的离子传导率和导电率的辅助材料。特别是，铬掺杂的钛酸锂可用作锂-硫-电池如锂-硫-固体电池的阴极材料中的基质材料。对此，该铬掺杂的钛酸锂可形成树状结构，该结构为硫的氧化还原反应提供锂离子传导和导电的途径以及提供该阴极材料的改进的硫接触和改进的结构稳定性。