[发明专利]用于高电压锂离子电池组的锂金属氧化物阴极粉末

说明书

本发明公开一种在可充电电池组中用于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，该核心具有包括元素Li、M和氧的层状晶体结构，其中M具有式M＝(Ni_z(Ni_1/2Mn_1/2)_yCo_x)_1‑kA_k，其中0.15≤x≤0.30，0.20≤z≤0.55，x+y+z＝1且0≤k≤0.1，其中A是掺杂剂，其中Li含量经化学计量控制而具有0.95≤Li:M≤1.10的摩尔比；并且其中该表面层包含元素Li、M’和氧，其中M’具有式M’＝(Ni_z’(Ni_1/2Mn_1/2)_y’Co_x’)_1‑k’A_k'，其中x’+y’+z’＝1且0≤k’≤0.1，并且其中y’/(y’+2z’)≥1.1*[y/(y+2z)]。该表面层也可包含至少3mol％的Al，在表面层10中的Al含量通过XPS测定。

技术领域和背景技术

本发明涉及用于锂二次电池组(battery)的基于NMC的阴极材料。NMC是LiMO₂的缩写，其中M＝Ni_1-x-yMn_xCo_y。阴极材料含有Ni、Mn和Co、经表面处理、且具有改性组合物，该改性组合物在室温和高温两者下，在全电池(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)下都显示改善的循环稳定性。

由于锂二次电池组的高能量密度，最近锂二次电池在许多应用中已被发展为电力源，主要在便携式电子装置和汽车应用的领域，包括EV(电动车)、HEV(混合动力电动车)和PHEV(插电式混合动力电动车)。锂离子电池组基于使锂离子可逆地嵌入正极和负极材料/从正极和负极材料脱嵌而产生电能。LCO，LiCoO₂的缩写，是先前用于可充电锂离子电池组的主要正极材料。最近，NMC阴极材料已经因为其制造成本比LCO低而被开发作为替代品。NMC具有空间群为R-3M的有序岩盐结构(ordered rocksalt structure)，其中阳离子会依序排成2维Li和M层。有许多可能的组合物，该些组合物通常根据其镍、锰和钴的含量分类和命名。典型的NMC组合物是“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)和“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(gravimetric energy density)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NMC111两者更高的重量能量密度。

最近，由于市场的增加，对于改善电池组的能量密度的需求是不可避免的，不仅是用于汽车应用的电池组，而且用于便携式装置的电池组也是这样。有效的方法可以为：使用具有高Ni含量的NMC材料(例如NMC622)、以及将循环电压从目前的4.2V增加到4.35V或甚至4.4V。