[发明专利]阴极活性材料及包括其的锂离子电化学系统

说明书

本发明提供了一种阴极活性材料及包括其的锂离子电化学系统。该阴极活性材料的通式如下：z{xLisubgt;2/subgt;MnOsubgt;3/subgt;*(1‑x)LiROsubgt;2/subgt;}*(1‑z)Lisubgt;a/subgt;R'subgt;1‑a/subgt;Osubgt;y/subgt;，其中R和R'独立地包含一种或多种金属离子，R的氧化价态为3supgt;+/supgt;，R'的氧化价态为2supgt;+/supgt;，其中，0≤x≤0.25，0＜a≤0.75，0.625≤y≤1，0.75≤z＜1。利用z{xLisubgt;2/subgt;MnOsubgt;3/subgt;*(1‑x)LiROsubgt;2/subgt;}*(1‑z)Lisubgt;a/subgt;R'subgt;1‑a/subgt;Osubgt;y/subgt;有目的地引入了岩盐结构，从而能够在循环期间稳定材料。其中的岩盐结构的存在减少了其在循环过程热分解过程中可能发生的潜在氧气释放。

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，具体而言，涉及一种阴极活性材料及包括其的锂离子电化学系统。

背景技术

锂离子电池最初于20世纪90年代初商业化，并已经成为手持式电子消费设备能量存储市场的主导。这是因为其是可充电的，并且具有高质量和体积能量密度。目前，锂离子电池在电动车辆中的应用也正在被广泛研究。在电动汽车领域，理想的电池阴极需要具备高容量、高功率、改进的安全性、循环寿命长、低毒性和低生产成本等特点。然而，阴极材料通常无法满足所有的这些要求。

特别是应用于汽车时，理想的电池阴极需要为电池提供高能量密度。如今，通常使用层状过渡金属氧化物作为阴极材料，特别是NMC和NCA化合物，它们相比于原始LCO阴极在能量密度方面具有更强的竞争力。然而，在电池充放电过程中阴极材料会发生分解，且分解过程会伴随氧气的释放，从而影响电池的性能。

并且，由于Co的高价格，成本显著升高。近期，人们越来越关注电池阴极中的钴，因为它的世界储备量有限，随着电动汽车销量的增加，成本也在不断攀升。因此，有必要开发不依赖于钴或任何其他高成本非弹性金属的用于锂离子电池的新阴极结构，从而利于大规模生产。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种阴极活性材料及包括其的锂离子电化学系统，能够减少现有技术中阴极活性材料在电池充放电循环过程中氧气的释放量，从而提高电池的性能。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种阴极活性材料，其通式如下：z{xLi₂MnO₃*(1-x)LiRO₂}*(1-z)Li_aR'_1-aO_y，其中R和R'独立地包含一种或多种金属离子，R的氧化价态为3⁺，R'的氧化价态为2⁺，其中，0≤x≤0.25，0＜a≤0.75，0.625≤y≤1，0.75≤z＜1。

进一步地，R独立地选自Al、Fe、Nb、Ni、Co和Zr中的一种或多种，R'独立地选自Ni、Mn、Co、Mg、Nb、Fe、Zn、Ti和Cu中的一种或多种。

进一步地，定义Li₂MnO₃为第一相，LiRO₂为第二相，Li_aR'_1-aO_y为第三相，第一相中Mn、第二相中R以及第三相中R'的总摩尔含量为TM，R和/或R'中包含Co元素，Co元素的摩尔含量与TM之比≤0.1。

进一步地，Co元素的摩尔含量与TM之比≤0.05。

进一步地，Co元素的摩尔含量与TM之比为0。