专利名称：用于提供动力的阴电极和电化学电池的制作方法
用于提供动力的阴电极和电化学电池描述本发明涉及一种电化学电池的阴电极，特别是具有高能量密度和高功率密度的电化学电池。除了能量密度之外，利用现有的活性物质还使得电池的稳定性得到优化。另外需要考虑的是电极原料的材料成本和可获取性。 在本发明的范畴中，阴电极包括至少一个载体，在其上应用有或沉淀有至少一种活性物质，其中所述活性物质包括(I)至少一种锂-聚阴离子-化合物，或者(2)由不以尖晶石结构存在的锂-镍-猛-钴-混合氧化物(NMC)与尖晶石结构的锂-锰-氧化物(LMO)所组成的混合物，或者(3) 一种由(I)和⑵组成的混合物，其中，所述载体包括金属材料，特别是铝，并且所述载体具有15 y m至45 y m的厚度。目前特别重要的是，电极的载体(集电极物质)有薄的厚度，而且特别是考虑到根据本发明的、用于离子电池的电极的使用寿命和操作方式。所述电极的载体/集电极有助于稳定性、薄涂层的可能性和冷却。优选地,所述载体构成为集电极箔、板(Blatt)或薄片(Duennblech)。此外本发明涉及一种电化学电池，特别是具有高能密度和高功率密度的电化学电池，其包括所述的阴电极，以及至少一个阳电极，以及至少一个分隔物，所述分隔物至少部分地设置在阴电极和阳电极之上或设置在阴电极和阳电极之间。 优选地，阳电极包括至少一种载体，所述载体优选地包括铜或碳纤维复合材料，其中所述载体具有15 Ii m至45 Ii m的厚度。优选地，所述载体构成为集电极箔的形式。所述阴电极或者所述电化学电池优选地应用在电池组中，特别是具有高能量密度和/或高功率密度的电池组中(所谓的“高功率电池”或者“高能量”电池)。依据本发明，阴电极或电化学电池特别优选地应用在锂-离子-电池和锂-离子-电池组中。进一步优选地，所述锂-离子-电池和锂-离子-电池组能应用于电动工具中和驱动车辆，更确切地说是应用于驱动全部或主要由电驱动的车辆或以所谓的“混合”动力工作的车辆(也就是与内燃机结合的车辆)。此外，所述电池组的应用还包括与燃料电池结合，以及以固定状态工作。在电池组技术领域内，特别是考虑到锂-离子-电池组，普遍认可的是，为各预期应用选择阴电极物质具有特别意义。例如在便携型电子仪器(通讯技术)中应用活性物质是公知的，特别是锂-钴-氧化物(例如=LiCoO2)或锂_(镍)_钴-铝-氧化物(NCA)。出于成本原因(相对来说钴属于昂贵的过渡金属)，已成功用于商业使用的活性物质不一定同样适合应用于电动车辆和混合驱动的车辆，这是因为在这些领域需要越来越多的活性物质，并因此活性物质的价格/可获取性会有很大的影响。并且考虑到更高的功率性能，使得这些常用物质受到限制。阴电极的活性物质，其理论上可用于电化学电池和电池组中，可应用于电动工具、电驱动的机动车辆或混合驱动的车辆，即具有镍、锰和钴的锂-混合氧化物(锂-镍-锰-钴-混合氧化物，“NMC”)。出于安全和成本原因，锂-镍-锰-钴-混合氧化物相对于锂-钴-氧化物被优先使用。关于适于作为阴电极的活性物质的锂的镍-锰-钴-混合氧化物(在一些参考文献中也称作“NCM”)，其也可能存在缺陷，即以该混合氧化物为基础的阴电极在长期运行过程中可能会有老化现象。对于包含在电化学电池中的阴电极和阳电极以及分隔物而言，作为阴电极物质的NMC的降低的稳定性可能导致所使用的分隔物具有增加的层厚度。由于成本原因，以及考虑到活性物质在未来的可获取性，特别是对于显著增加的需求，例如LiFePO4的锂-聚阴离子-化合物，其也适合用作阴电极的活性物质，所述阴电极还可被用于高性能范围的电化学电池和电化学电池组。 根据现有技术，本发明的任务和目的在于，提供一种电化学电池，该电化学电池是安全的、并具有相对来说高能量密度和/或高功率密度，并且还考虑到了活性物质的成本方面和可获取性。优选地，本发明的任务和目的在于，提供一种电化学电池，其在提高了使用寿命和可靠性的情况下，具有更小的尺寸和提高了的能量密度和/或功率密度。依据本发明，上述的以及其它的任务和目的通过提供一种电化学电池的阴电极得以解决，所述阴电极包括至少一种载体，在其上应用有或沉淀有至少一种活性物质，其中所述活性物质包括(I)至少一种锂-聚阴离子-化合物，或者(2)由不以尖晶石结构存在的锂-镍-猛-钴-混合氧化物(NMC)和尖晶石结构的锂-锰-氧化物(LMO)组成的混合物，或者(3) 一种由(I)和⑵组成的混合物，其中所述载体包括金属材料，特别是铝，并且所述载体具有15 y m至45 y m的厚度。依据本发明，所述任务和目的通过提供一种电化学电池得以解决，所述电化学电池包括 阴电极，其包括至少一种载体，在该载体上应用有或沉淀有至少一种活性物质，其中所述活性物质包括(I)至少一种锂-聚阴离子-化合物，或者(2)由不以尖晶石结构存在的锂-镍-猛-钴-混合氧化物(NMC)和尖晶石结构的锂-锰-氧化物(LMO)所组成的至少一种混合物，或者(3) 一种由(I)和⑵组成的混合物，其中所述载体包括金属材料，特别是铝，并且所述载体具有15 y m至45 y m的厚度；籲阳电极，以及 分隔物，所述分隔物至少部分地设置在阴电极和/或阳电极之上或设置在阴电极和/或阳电极之间。
优选地，所述阳电极包括至少一个载体，所述载体优选地包括铜或碳纤维复合材料，其中所述载体具有1511111至4511111的厚度。优选地，所述载体在上述实施方式中构成为集电极箔的形式。进一步优选地，所述分隔物包括至少一种多孔陶瓷材料，优选地位于应用到有机载体物质中的层内，其中所述有机载体物质进一步优选地包括非交织聚合物。所述阴电极或所述电化学电池优选地应用在电池组中，其优选地用于电动工具和电驱动的车辆中，所述车辆包括以混合动力驱动的车辆或与燃料电池相结合的车辆。另外，所述电池组优选地应具有高能量密度和/或高功率密度。术语“阴电极”描述为电极，其在与负荷连通时(“放电”)，例如在电动机运行时获得电子。因此所述阴电极在这种情况下是“正电极”。
在本发明的范畴中，阴电极或阳电极的“活性物质”是一种物质，该物质中可以嵌入离子形态或金属形态或任何中间形态的锂，特别是以晶格结构嵌入(“嵌入层”)。因此，活性物质“活跃地”参与在充电和放电过程中发生的电化学反应(与电极其它可能的组成部分，例如粘合剂、稳定剂或载体相反)。在本发明的范畴中，所述阴电极包括至少一种活性物质，其中所述活性物质包括(I)至少一种锂-聚阴离子-化合物，或者(2)由不以尖晶石结构存在的锂-镍-猛-钴-混合氧化物(NMC)和尖晶石结构的锂-锰-氧化物(LMO)所组成的至少一种混合物，或者(3) 一种由(I)和⑵组成的混合物。此外，所述锂-聚阴离子-化合物优选地由包括以下的一组物质中选择
权利要求
1.一种用于电化学电池的阴电极，所述阴电极包括至少一种载体，在所述载体上应用有或沉淀有至少一种活性物质，其中所述活性物质包括 (1)至少一种锂-聚阴离子-化合物，或者 (2)由不以尖晶石结构存在的锂-镍-锰-钴-混合氧化物(NMC)与尖晶石结构的锂-锰-氧化物(LMO)所组成的混合物，或者 (3)一种由⑴和(2)组成的混合物， 其中，所述载体包括金属材料，特别是铝，并且所述载体具有15 μ m至45 μ m的厚度。
2.一种电化学电池，包括 阴电极，所述阴电极包括至少一种载体，在所述载体上应用有或沉淀有至少一种活性物质，其中所述活性物质包括 (1)至少一种锂-聚阴离子-化合物，或者 (2)由不以尖晶石结构存在的锂-镍-锰-钴-混合氧化物(NMC)和尖晶石结构的锂-锰-氧化物(LMO)所组成的至少一种混合物，或者 (3)一种由⑴和(2)组成的混合物， 其中，所述载体包括金属材料，特别是铝，并且所述载体具有15 μ m至45 μ m的厚度，其中所述载体优选地构成为集电极箔； 籲阳电极，以及 籲分隔物，所述分隔物至少部分地设置在阴电极和/或阳电极之上，或设置在阴电极和/或阳电极之间。
3.根据权利要求I所述的阴电极或根据权利要求2所述的电化学电池，其特征在于，所述活性物质包括至少50%的至少一种锂-聚阴离子-化合物，其中所述化合物优选地从钠-超离子导体、焦磷酸盐、橄榄石、非结晶型铁磷酸盐、ΜοΧΟΗ、钛铀矿或硼酸盐所组成的组中选择。
4.根据权利要求3所述的阴电极或电化学电池，其特征在于，所述至少一种锂-聚阴离子-化合物从包括 M3+ (X6+O4) 3、LiM3+2 (X6+O4) 2 (X5+O4)、LiM3+2 (X5+O4) 3、LiM4+2 (X5+O4) 3、Li2M4+M3+ (X5+O4) 3> Li2M5+M3+ (X5+O4) 3>M5+M4+ (X5+O4) 3、M5+OX5+O4'LiM4+OX5+O4'M4+OX6+O4 和 Li2M4+OX4+O4的亚组中选择。
5.根据权利要求I所述的阴电极或根据权利要求2所述的电化学电池，其特征在于，相对于阴电极的活性物质的总摩尔数，所述活性物质包括至少30Mol %的，优选为至少50Mol %的锂-镍-猛-钴-混合氧化物，并且同时包括至少IOMol %，优选为至少30Mol %的锂-锰-氧化物。
6.根据权利要求I所述的阴电极或根据权利要求2所述的电化学电池，其特征在于，相对于阴电极的活性物质的总摩尔数，NMC和LMO两者共计占活性物质的至少60Mol %，进一步优选为至少70Mol %，进一步优选为至少80Mol %，进一步优选为至少90Mol %，进一步优选为至少96Mol%。
7.根据前述权利要求中任一项所述的阴电极或电化学电池，其特征在于，相比于应用到所述载体上的所述材料的总重量，在所述载体上所应用的物质包括所述活性物质的80至90重量百分比，进一步优选为86至93重量百分比。
8.根据前述权利要求中任一项所述的阴电极或电化学电池，其特征在于，所述阴电极包括稳定剂，相比于应用到所述载体上的阴电极的质量的总重量，所述稳定剂重量比例优选为低于5重量百分比，优选为低于3重量百分比。
9.根据权利要求2所述的电化学电池，其特征在于，所述阳电极包括至少一个载体，所述载体优选地包括铜或碳纤维复合材料，其中所述载体具有15 μ m至45 μ m的厚度。
10.根据权利要求2或根据权利要求9所述的电化学电池，其特征在于，所述分隔物包括至少一种多孔陶瓷材料，优选位于在有机载体物质上应用的层内，其中所述有机载体物质优选地包括非交织聚合物或者为非交织聚合物。
11.根据权利要求2或根据权利要求9或10所述的电化学电池，其特征在于，所述分隔物的单面或双面涂覆有聚醚酰亚胺。
12.根据权利要求2或根据权利要求9至11中任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述陶瓷材料选自由至少一种金属离子的氧化物、磷酸盐、硫酸盐、钛酸盐、硅酸盐、铝硅酸盐或硼酸盐所组成的组。
13.根据权利要求2或根据权利要求9至12中任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述分隔物具有2至50 μ m厚度，优选为5至25 μ m的厚度。
14.根据前述权利要求中任一项所述的阴电极或电化学电池在锂-离子-电池中以及在固定电池应用中的用途，所述锂-离子-电池用于驱动电动工具和驱动车辆，特别是驱动全部由电驱动的车辆或主要由电驱动的车辆或以所谓的“混合”动力驱动的车辆，所述“混合”动力驱动也就是与内燃机结合或与燃料电池结合。
全文摘要
本发明涉及一种用于电化学电池的阴电极，所述阴电极包括至少一个载体，在其上应用有或沉淀有至少一种活性物质，其中所述活性物质包括(1)至少一种锂-聚阴离子-化合物，或者，(2)由不以尖晶石结构存在的锂-镍-锰-钴-混合氧化物(NMC)和尖晶石结构的锂-锰-氧化物(LMO)所组成的化合物，或者，(3)一种由(1)和(2)组成的混合物，其中所述载体包括金属材料，特别是铝，并且所述载体具有15μm至45μm的厚度，特别是具有高能密度的电化学电池。利用上述活性物质使得除了能量密度之外还优化了电池的稳定性。另外还考虑了材料成本和材料的可获取性。
文档编号H01M4/525GK102792499SQ201180013741
公开日2012年11月21日 申请日期2011年2月22日 优先权日2010年3月15日
发明者安德里斯·古奇, 蒂姆·谢弗 申请人:锂电池科技有限公司