[发明专利]具有长循环寿命的高体积能量密度锂电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂电池。

背景技术

锂电池广泛用作车辆以及许多类型的电子设备的一次电池和二次电池。这些电池趋于具有高能量和功率密度，并且因此在许多应用中是有利的。

原则上，可通过提高电池的工作电压来增加电池的能量和功率密度。为此，已开发了具有4.5V或更多的工作电位(相对于Li/Li⁺)的阴极材料。然而，较高的工作电位使锂电池电解质溶液中常用的许多组分降解。例如，碳酸亚乙酯被非常地广泛用作锂电池中的电池电解质溶剂，但在这些较高电压下并非电化学稳定的。电化学不稳定性导致电池性能问题，例如容量衰减、电压衰减、倍率性能差、安全性差、高温性能差和高温电池寿命差。因此，本领域需要开发性能更好的高能量密度电池。

具体实施方式

本发明在一个方面是电池，所述电池包括阳极、包括锂镍锰钴氧化物阴极材料的阴极、以及各自设置在阳极和阴极之间的隔膜和电池电解质溶液，其中所述电池电解质溶液包括溶解于溶剂混合物中的锂盐，所述溶剂混合物包括碳酸二乙酯、以及碳酸4-氟亚乙酯和碳酸亚乙酯中的至少一种，其中碳酸二乙酯与碳酸4-氟亚乙酯和碳酸亚乙酯的体积比为至少85∶15，并且碳酸二乙酯、碳酸4-氟亚乙酯和碳酸亚乙酯一起构成溶剂混合物的至少80体积百分比。

本发明的电池显示出非常高的体积能量密度。它们也显示出极佳的循环稳定性。它们在大量充电/放电循环中保持高电压和容量。它们显示出在高放电率下非常好的性能，并且在高温使用和储存条件下表现良好。

阴极包括至少一种锂镍锰钴氧化物阴极材料。合适的锂镍锰钴氧化物阴极材料包括由式Li_xNi_(1-a-b)Mn_aCo_bO₂表示的那些，其中0.05≤a≤0.9，0.05≤b≤0.8，a+b≤0.95并且x为1至1.4。更优选地，0.1≤a≤0.5，0.1≤b≤0.5并且a+b≤0.8；在这种实施例中，a+b小于或等于0.6或者小于或等于0.4。在一些实施例中，x优选为1.005至1.3，更优选1.01至1.25或1.01至1.15。

阴极材料优选为相对于Li/Li⁺具有至少4.5V的工作电压的阴极材料。在一些实施例中，当以0.05C的速率从4.6伏放电到2伏时，阴极材料展示至少250mAh/g的比容量。

阴极材料可为有时称为富锂金属氧化物或富锂层状氧化物(各自在本文中由首字母缩略词LRMO鉴定)的一类锂镍锰钴氧化物。这些材料一般展示具有单斜和菱方晶域的层状结构。当充电至相对于Li/Li⁺约4.6伏的电压时，它们可具有270mAh/g或更多的初始比放电容量。合适的LRMO阴极材料包括美国专利号5,993,998、6,677,082、6,680,143、7,205,072、7,435,402和8,187,752；日本未审查专利号11307094A；EP专利申请号1193782；Chem.Mater.23(2011)3614-3621；和J.Electrochem.Soc.，145∶12，Dec.1998(4160-4168)中描述的那些。

阴极材料还可含有少量改善一种或多种性质的阴离子掺杂剂，其例子是氟。

阴极材料优选以颗粒的形式提供，如使用激光方法测量的，所述颗粒具有10nm至250μm，优选50nm至50μm的粒径。

除上述阴极材料之外，阴极还可包括一种或多种另外的成分，例如粘结剂、导电颗粒、保护涂层等等。阴极可例如通过下述形成：将阴极材料的颗粒与粘结剂材料、载液和任选的一种或多种阴极导电材料(例如炭黑、活性炭、金属等等)的颗粒混合，浇铸所得到的混合物，然后去除载液。保护涂层可在形成阴极之前施加于阴极材料本身和/或施加于整个阴极。阴极材料和/或阴极可涂覆有例如非离子导电固体，例如磷酸锂、硫化锂、钛酸锂镧，如US 2011-0081578中所述，和/或涂覆有涂层例如Al₂O₃、La₂O₃或AlF₃。如US 2007-0281212中所述，阴极可具有含有稳定的铵磷、钛、硅、锆、铝、硼和/或氟原子的蚀刻表面。