[发明专利]用于锂离子电池的具有减少短程有序的阳离子无序岩盐型高熵阴极

说明书

一类包含具有通式为LiTM[n]OF的锂金属氧化物或氟氧化物化合物的组合物，其中，TM[n]表示多种过渡金属物种，包括由电荷或d⁰电子壳层结构区分的过渡金属物种，其中[n]是所述过渡金属物种中的至少4种，并且其中所述锂金属氧化物或氟氧化物具有阳离子无序岩盐(DRX)结构和通过高熵DRX设计策略减缓的SRO。特点还在于一种合成高熵DRX锂金属氧化物或氟氧化物化合物的方法，以及其在锂离子电池中的用途，尤其适用于此类锂离子电池的阴极。

技术领域

本发明涉及高熵阳离子无序岩盐(DRX)阴极的设计和合成，其中过渡金属(TM)物种的数量战略性增加，旨在提供减少短程有序(SRO)的阴极。TM物种数量的增加减缓了SRO，并在DRX阴极的容量和倍率性能产生了改进。本发明通过测试证实，高熵是用于设计高容量和高倍率性能锂离子阴极的新途径。

背景技术

个人设备、交通和电网中对廉价、便携、高密度储能的需求不断增加，推动了先进锂离子电池系统的发展[1-3]。目前，最先进的高能量密度电池系统是基于针对Co、Mn和Ni的高压氧化还原活性的层状氧化物。

最近的工作已将无序岩盐(DRX)系统确定为潜在的高容量阴极，因为DRX系统在组合物和氧化还原行为方面具有灵活性，同时避免了当至少55％的阳离子亚晶格被Li占据时倍率性能的降低[4-5]。DRX材料中的Li输运显示为主要依赖于0-TM网络(渗流网络)，其中Li迁移路径中的四面体位点由零过渡金属协调。连接到渗流网络的Li称为“渗流Li”。渗流Li的量是表征DRX材料中总Li输运性质的重要指标。在这些DRX阴极材料中，虽然缺乏长程有序(LRO)，但已使用透射电子显微镜(TEM)电子衍射技术证实了局部阳离子短程有序(SRO)的存在，并且它们的存在可以显著影响DRX材料的容量和倍率性能[6]。迄今为止，SRO在大多数情况下被视为减少了DRX材料中的渗流Li量，如先前的蒙特卡洛(Monte Carlo)研究所示[6]。

因此，减少阳离子SRO以提高DRX阴极的容量和倍率性能是一个挑战。

发明内容

本发明确定，当SRO减少时，可以改进DRX材料的容量和倍率性能。实现这一点的方法涉及使用“高熵”混合物来合成DRX材料——一种高熵DRX设计策略。该策略涉及使用相对大量的组分，这限制了阳离子形成特定短程有序的能力。这具有减少短程有序的效果，使得系统更像阳离子亚晶格上离子的随机混合物。与具有非减缓SRO的DRX阴极相比，这改进了Li的渗流。

本发明的各个方面由以下第1点到第31点举例说明：

1.一种锂金属氧化物或氟氧化物化合物，具有以下通式：

Li_1+xTM[n]_1-xO_2-yF_y，其中TM[n]包括过渡金属物种，其包括由氧化还原活性物种或d⁰氧化还原非活性电荷补偿器区分的物种，其中[n]是所述过渡金属物种中的至少四种，并且其中所述锂金属氧化物或氟氧化物具有阳离子无序岩盐(DRX)结构。

2.如说明点1所述的化合物，其中TM[n]包括至少Mn³⁺和Ti⁴⁺。

3.如说明点1所述的化合物，其中[n]是所述过渡金属物种中的至少6种。

4.如说明点1所述的化合物，其中[n]为所述过渡金属物种的4到10种。

5.如说明点1所述的化合物，其中所述过渡金属物种中的至少4种选自Mn^3-、Ti⁴⁺、Mn²⁺、Nb⁵⁺、Co²⁺和Cr³⁺的组。