[发明专利]用于高功率应用的纳米级孔结构阴极和材料合成方法

说明书

公开了一种用于电极中的磷酸铁锂电化学活性材料及其相关方法和系统。在一个实施例中，提供了一种用于电极中的磷酸铁锂电化学活性材料，包括含钒的掺杂剂和可选的含钴的共掺杂剂。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年6月26日提交的、序列号为62/185,457的美国临时申请和于2016年2月12日提交的、序列号62/294,888的美国临时申请的优先权，其通过引用并入本文中用于所有目的。

技术领域

本申请涉及电池电极的材料和方法、其中使用的材料、以及使用这种电极的电化学单电池及其制造方法，例如锂离子电池。

背景技术和发明内容

锂离子(Li-ion)电池是一种由电化学反应产生能量的可充电电池。在典型的锂离子电池中，单电池可以包括正极、负极、支持离子在两电极之间来回运动的离子电解质溶液、以及允许离子在电极之间运动并确保两个电极呈电隔离的多孔间隔物。

锂离子电池在消费电子市场的成功导致其使用在混合动力电动车(HEV)、插电式混合动力电动车(PHEV)和电动车(EVs)的运输行业中。虽然可充电锂离子电池在便携式电子产品中已有多种应用，但高充电和放电倍率是次要的设计考虑问题。然而，当考虑在运输行业中使用可充电锂离子电池时，维持高充电和放电倍率的能力变得重要。运输行业的应用以及对更大功率的便携式电子设备不断增长的需求，已经促进了对能够始终保持大的充电和放电电流密度的电池的需求。因此，预期通过多孔结构或纳米级初级粒径，具有不规则表面的电极材料产生高的界面表面积和短的特征扩散长度，以提供具有高功率密度的锂离子电池。安全性也正成为新型锂离子电池设计中的重要因素，特别是对于运输应用。

为了解决与氧化物基阴极材料相关的安全顾虑，磷酸铁锂(LFP)被认为是良好的替代候选物，因为它是热力学稳定的且在分解时不释放氧。这对于低压起动、启停和轻度混合电池应用尤其如此。当考虑LFP用作阴极材料时，可以仔细地控制形貌、化学组成和颗粒大小方面的特性。由于原料供应商采用不同的LFP前体材料和不同的合成路线，因此首先需要特别注意杂质并确保正确的组成。不正确的组成和杂质会对LFP性能造成不利影响，从而对整个锂离子电池产生不利影响。其次，原料供应商使用的各种合成方法可能导致不理想的一次和二次粒径、过低的平均表面积，并且会限制阴极倍率性能的颗粒形貌。因此，需要具有仔细控制的电化学和物理特性的LFP，以便在掺入到锂离子电池时提供一致的结果。

LFP材料用作高功率电极材料的一个示例由Beck等人在申请号为14/641,172的美国专利申请中公开。例如，在申请号为14/641,172的美国专利申请中，活性电极材料包括由淡磷铵铁石FePO₄(NH₄Fe₂(PO₄)₂OH*2H₂O)前体合成的LFP，本文中也称为淡磷铵铁石FePO₄-LFP。使用淡磷铵铁石FePO₄作为磷酸铁(FePO₄)前体材料，产生了具有高的表面积和增强的表面特征的特定颗粒形貌。当与低温下的其他LFP活性电极材料相比时，这些特性产生具有特别高功率的活性电极材料，特别是在0℃及0℃以下的温度下。这种淡磷铵铁石FePO₄-LFP显示了对于低压起动、启停和轻度混合电池应用的改进的冷启动性能。包括上述讨论的性能的由淡磷铵铁石FePO₄前体合成的LFP被公开于2015年3月6日提交的、发明名称为“高功率电极材料”、申请号为14/641,172的美国专利申请中，其全部内容以引用的形式并入本文中用于所有目的。

本发明人已经认识到进一步发展发明名称为“高功率电极材料”、申请号为14/641,172的美国专利申请中所描述的技术的三个关键原因：(1)增加首次充电容量(FCC)；(2)消除正五价(+5)氧化态的钒的使用；以及(3)减少前体制备和煅烧过程中的氨(NH₃)排放。