[发明专利]用于高电压锂离子电池组的锂镍锰钴氧化物阴极粉末

说明书

一种用于在可充电电池组中的阴极材料的锂金属氧化物粉末，该锂金属氧化物粉末由核心和表面层组成，该表面层被外界面和内界面分隔，该内界面与该核心接触，该核心具有包含元素Li、M和氧的层状晶体结构，其中M具有式M＝(Ni_z(Ni_1/2 Mn_1/2)_y Co_x)_1‑k A_k，其中0.15≤x≤0.30，0.20≤z≤0.55，x+y+z＝1，并且0k≤0.1，其中Li含量经化学计量控制而具有摩尔比0.95≤Li:M≤1.10；其中A是至少一种掺杂剂并且包括Al；其中该核心具有0.3至3mol％的Al含量和少于0.05mol％的F含量；并且其中该表面层具有的Al含量从在该内界面处的该核心的Al含量连续地增加到在该外界面处的至少10mol％，以及F含量从在该内界面处的少于0.05mol％连续地增加到在该外界面处的至少3mol％，在表面层中的Al和F含量通过XPS测定。该表面层具有的Mn含量也可从在该内界面处的该核心的Mn含量连续地减少到在该外界面处的少于50％的该核心的Mn含量。

技术领域与背景技术

本发明关于用于可充电锂离子电池组(battery)的改善的阴极材料。阴极材料含有Ni、Mn和Co，经表面处理，并且具有改性的组合物，其在室温和高温(elevatedtemperature)两者下，在全电池(full cell)中的长期循环期间、尤其是在高充电截止电压(cut-off voltage)(4.35V)下都显示出改善的循环稳定性。

可商购获得的锂离子电池组通常含有石墨基(graphite-based)阳极和阴极材料。阴极材料通常是能够可逆地嵌入锂和脱嵌锂的粉末状材料。历史上，LiCoO₂是用于可充电锂电池组的主要阴极材料。最近所谓的NMC阴极材料在许多应用中取代LiCoO₂。“NMC”是镍-锰-钴的缩写，并且其用于基于锂过渡金属的氧化物，其中过渡金属基本上是Ni、Mn和Co的混合物，大致具有化学计量LiMO₂，其中M＝Ni_xMn_yCo_z。可能有附加的掺杂，并且典型的掺杂元素是Al、Mg、Zr等。晶体结构是有序的岩盐结构，其中阳离子排序成2维的Li和M层。空间群(spacegroup)是R-3M。可能有许多不同的组成，通常以其镍、锰和钴的含量分类和命名。典型的基于NMC的材料是“111”(其中M＝Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3)、“442”(其中M＝Ni_0.4Mn_0.4Co_0.2)、“532”(其中M＝Ni_0.5Mn_0.3Co_0.2)、“622”(其中M＝Ni_0.6Mn_0.2Co_0.2)等。已知对于恒定Li电位，NMC的重量能量密度随着Ni含量增加，例如，当充电至相同的电压时，NMC622具有比NMC532和NMC111更高的重量能量密度。

由于可充电锂电池组和锂离子电池组的高能量密度，它们可被用于多种用途。其中一个最重要的应用是便携式电子应用(portable electronic application)，例如移动电话、笔记本电脑、数字相机和摄影机。另一个其他非常重要的应用是汽车，包括BEV(电池组电动车)、HEV(混合动力电动车)和PHEV(插电式混合动力电动车)。