[发明专利]用于高能量密度二次电池的具有复合涂层的正极活性材料及相应工艺

说明书

本发明描述了复合涂覆形式的锂钴氧化物可以在较高电压下实现改进的循环。描述了液相以及液相和固相组合的涂覆方法来有效地形成复合涂层粉末。改进循环的正极材料可以与石墨碳负极活性材料或硅基高容量负极活性材料有效地结合。改进的电池设计可以在实际的电池形式中和合理的循环性能下实现非常高的体积能量密度。

相关申请的交叉引用

本申请要求了Sharma等人于2015年1月15日提交的共同待审的美国临时专利申请62/103,641的优先权，该申请的名称为“用于高能量密度二次电池的复合阴极材料”(Composite Cathode Materials for High Energy Density Secondary Batteries)，其通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及用于锂基电池的正极(阴极)活性材料，其在较高的电压下提供稳定的循环用于良好的能量容量。本发明还涉及用于生产高电压稳定的活性材料的方法和用活性材料形成的电池，所述活性材料包含具有石墨碳基负极或硅基负极的电池。

背景技术

可充电锂离子电池是各种消费类电子产品(从笔记本电脑到各种可穿戴设备)中最有前景的能源之一。从消费者的角度来看，任何能源最重要的挑战是更高的能量密度和更长的寿命，而从设备的角度来看是能源的大小(更高的体积能量密度)。尽管存在各种阴极化学材料，但是富钴阴极(锂离子电池首要的阴极之一)被认为是无可争议的领导者，主要是因为其更高的晶体密度、容易合成、高平均电压和高电导率。但是，这类材料的主要瓶颈是提取该材料的全部容量的热力学限制，其中它需要较高的电压，这导致电池劣化以及严重的安全问题。

发明内容

在第一方面，本发明涉及一种颗粒材料，该颗粒材料包括锂钴氧化物芯体，至少部分锂锰镍钴氧化物涂层和惰性稳定纳米涂层。

在另一方面，本发明涉及形成颗粒状复合涂覆材料的方法，该方法包括将锰镍钴前体、锂源和锂钴氧化物粉末的组合物退火以形成锂锰镍钴氧化物涂覆的锂钴氧化物颗粒，并用惰性无机稳定纳米涂层涂覆所述锂锰镍钴氧化物涂覆的锂钴氧化物颗粒，以形成复合涂覆稳定的锂钴氧化物颗粒。在一些实施方案中，所述锰镍钴前体组合物可以作为前体通过共沉淀涂覆在所述锂钴氧化物颗粒上而形成。

在附加的方面，本发明涉及电池，该电池包括阴极、阳极和非水电解质，所述阴极包括活性材料，所述活性材料包括锂钴氧化物；所述阳极包括嵌锂/锂合金化合物，所述非水电解质包括包括锂离子。在一些实施方案中，所述电池在约4.47V和2.5V之间以C/3的速率循环，相对于阴极，其第5次循环的放电比容量为至少约185mAh/g；和以C/3的速率在第100次循环的放电比容量为第5次循环的放电容量的至少约85％。

在其它方面，本发明涉及电池，该电池包括阴极、阳极和非水电解质，所述阴极包括活性材料，所述活性材料包括锂钴氧化物，所述阳极包括嵌锂/锂合金组合物，所述非水电解质包括锂离子。在一些实施方案中，所述电池具有至少约275Wh/kg的比能量和至少约750Wh/L的能量密度。

附图说明

图1A是具有从袋状壳体的两部分分离的芯体的袋状电池的展开图。

图1B是图1A的组装的袋状电池的下表面透视图。

图1C是图1B的袋状电池的底部平面图。

图1D是包括电极堆叠的电池芯体的实施方式的图示。

图2是在两种不同放大倍率下按照实施例中合成的三种不同材料的一组扫描电子显微照片，(A)和(B)为CRC-C，(C)和(D)为CRC-B以及(E)和(F)为CRC-A。

图3是与参比材料比较的复合涂覆材料CRC-A的X射线衍射图。