[发明专利]包含纳米晶的多晶层状金属氧化物

说明书

提供了电化学活性二次颗粒，该电化学活性二次颗粒提供优异的容量和改进的循环寿命。该颗粒以具有小的平均晶粒尺寸的多个纳米晶为特征。减小的晶粒尺寸减少了循环过程中的阻抗产生，由此改进了容量和循环寿命。还提供了形成电化学活性材料的方法以及采用该二次颗粒的电极和电化学电池。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年4月27日提交的美国专利申请序列号62/328,447的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

领域

公开了多晶金属氧化物颗粒，其制造方法，和包含多晶金属氧化物颗粒的电化学电池或蓄电池。

背景

已经开发了基于层状结构镍酸锂(LiNiO₂)的材料用于锂离子蓄电池阴极，因为它们通常比过去主要的LiCoO₂阴极材料具有更低的成本、更高的容量和更高的倍率特性。然而，纯的LiNiO₂材料表现出差的电化学稳定性和循环性能。为了解决这一点，已经将非镍单质添加剂配制到LiNiO₂中使结构稳定从而改进循环性能，但是通常以放电容量为代价。随着能量密度需求的提高，研究关注于优化和减小这些非镍添加剂以获取高Ni材料的容量而同时维持循环性能。

如此，需要新的材料来解决对于具有长循环寿命的高容量材料的需求。本文提供的材料和形成这种材料的方法通过在长循环寿命中维持高容量解决这一需要。

概述

提供以下概述来促进理解本公开内容一些独特的创新特征，并且以下概述不意图为完全描述。可通过将整个说明书、权利要求书、附图和摘要视为整体获得本公开内容的各个方面的完全领会。

本公开内容的一个目的是提供电化学活性多晶颗粒，当被包括在锂离子电池中时表现优异的容量和改进的循环寿命。电化学活性多晶颗粒包括多个纳米晶，其中该多个纳米晶包括由Li_1+xMO_2+y限定的第一组合物。任选地，x大于或等于-0.1且小于或等于0.3。任选地，y大于或等于-0.3且小于或等于0.3。任选地，M包含大于或等于10原子百分比的镍。对于基础颗粒而言多个纳米晶具有按照X-射线衍射(XRD)测定的小于或等于85纳米的平均晶粒尺寸，或者对于涂覆的颗粒或晶界富集颗粒而言具有按照XRD测定的小于或等于105纳米的平均晶粒尺寸。在一些方面，M还包括选自以下的一种或多种元素：Al、Mg、Co、Mn、Ca、Sr、Zn、Ti、Zr、Cr、Mo、Fe、V、Si、Ga和B。

另一目的是提供制造电化学活性多晶颗粒的方法，其中该方法包括提供第一混合物并煅烧该第一混合物。第一混合物(“生坯”)任选地包括氢氧化锂或它的水合物和具有镍的前体氢氧化物。煅烧第一混合物包括小于700℃的最大温度以形成包括多个纳米晶的第一材料，纳米晶具有小于或等于85纳米的尺寸。方法任选地还包括涂覆颗粒并使它们经受第二煅烧从而使纳米晶/晶粒之间的晶界富集。对于涂覆的颗粒而言平均晶粒尺寸为105nm或更小。

所得颗粒和方法通过提供材料实现了目的，制备相对于具有较大晶体的颗粒具有优异容量和改进的循环寿命的电化学电池。

附图简要描述

在附图中列出的方面本质上是说明性和示例性的并不意图限制由权利要求书限定的主题。当与以下附图一起阅读时可理解说明性方面的以下详细描述，其中相同的结构用相同的附图标记表示，并且其中：

图1是根据本文所述一个或多个方面的电化学活性多晶颗粒的横截面的示意透视图；

图2是根据本文所述一个或多个方面描述对于重复电池而言在100和200次循环之间具有大(109nm)和小(78nm)晶粒尺寸的阴极材料的放电性能的图表；

图3是根据本文所述一个或多个方面描述含有阴极材料的重复电池的阻抗值的图表，所述阴极材料具有大晶体和小晶体，对应于图3中所示放电性能数据；和