[发明专利]掺杂有镁的锰尖晶石、包含其的阴极材料、其制备方法和包含这样的尖晶石的锂离子电池

说明书

本发明涉及用于为便携式电子零件、电动工具、混合动力和电动车辆以及可再生能源用储存系统提供动力的技术领域。具体地，本发明涉及锂离子电池，更具体地涉及可用于制造所述锂离子电池中的阴极的活性化合物。甚至更具体地，本发明涉及掺杂有镁的锰尖晶石、包含其的阴极材料、其制备方法、以及包含这样的尖晶石的锂离子电池。

技术领域

本发明涉及用于为便携式电子零件、电动工具、混合动力和电动车辆提供动力以及可再生能源的储能系统的技术领域。特别地，本发明涉及锂离子电池，并且更具体地涉及可用于制造所述锂离子电池中的阴极的活性化合物。还更特别地，本发明涉及掺杂镁的锰尖晶石、包含其的阴极材料、制备方法以及包含其的锂离子电池。

背景技术

锂离子电池具有无可比拟的高能量密度和功率的组合，这就是为什么它们是用于为便携式电子零件、电动工具、混合动力和电动车辆提供动力以及为可再生资源的储存系统供能的被选择的技术。

目前，钴锂氧化物LiCoO₂是在锂离子电池的阴极的制造中最广泛使用的化合物。然而，由于其高成本、高毒性、热不稳定性和安全性问题，其应用限于小型电池。

相比之下，锂锰尖晶石LiMn₂O₄是用于大型锂离子电池的最具前景的阴极材料。这是由于其锂离子在三个维度的扩散，低成本、低毒性及其原料的丰富。然而，LiMn₂O₄存在诸如在高温(50℃)下的差的循环、Mn溶解、在高化学势下电解质分解、杨-特勒(Jahn-Teller)畸变和结构不稳定性的问题，这对于商业应用必须解决。

为了克服LiMn₂O₄的不同限制，本发明解决了改善结构性能和电化学性能的问题：(1)在纳米级上减小颗粒尺寸和(2)用镁离子掺杂结构。为此，使用通过超声波辅助的溶胶-凝胶合成方法，并使用智利Salar de Atacama的典型的Li和Mg的原料。

在与本发明有关的专利文献中，可以提及：CN 106207153，其描述了用于快速制备掺杂有硼的正电极材料LiMn₂O₄(LiB_0.04Mn_1.96O₄)的方法，所述方法包括首先将试剂(即硝酸锂、乙酸锂、硝酸锰、乙酸锰和硼酸)以1:1.96:0.04的Li与Mn与B的摩尔比放入熔化锅中；将反应物在预热炉中均匀加热、熔化和混合，将混合物以液相放入马弗炉中进行无焰燃烧反应，进行保温一定的时间，将粉末产物冷却并研磨以获得尖晶石电极材料LiB_0.04Mn_1.96O₄，其中用于锂离子电池的正电极材料具有操作简单、合成速度高和成本低的特性，并且批量生产容易实施。出现尖晶石锂锰材料在充电或放电循环中的容量衰减的技术问题，并且用B掺杂所述材料以修复这样的缺陷。

US2016329563公开了涂覆有具有掺杂有氟的尖晶石结构的锂金属的锰氧化物的活性阴极材料以及用于制备其的方法，所述活性阴极材料可以包含在二次锂电池中。阴极活性材料具有改善的化学稳定性并且提供在高温(55℃至60℃)和高速下的改善的充电/放电特性。阴极活性材料允许锂离子容易地穿过涂层并且是化学稳定的，并因此可以有效地用作用于高功率锂二次电池的阴极活性材料。阴极活性材料具有壳-核结构，其中壳为具有掺杂有氟的尖晶石结构的锂锰金属氧化物的覆盖层，其可以由式Li₁M_xMn_2-xO_4-nF_n表示，其中x为1/(4-z)，z为M的氧化值，以及n为满足0n0.3的实数。核为具有尖晶石结构的锂锰氧化物(LMO)。具有尖晶石结构的锂锰氧化物金属壳和核以1:20-200的重量比使用并且具有1nm至1μm的厚度。