用于确定锂离子电池电极的锂化的方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及用于确定锂离子电池中电极的组成的方法。
【背景技术】
[0002] 目前正在研究大容量可再充电的电池以用于电动车辆。电动车辆的最终可行性取 决于显著降低相关成本。电池组件的成本的降低是特别重要的。
[0003] 锂离子电池是电池技术的重要类型。大多数电池组件，包括锂离子电池组件，包含 多个个体的电化学单电池（cell)。典型地，此类电化学单电池包含阳极和阴极。典型地，阳 极包含上面涂覆有石墨层的金属片材或箱(通常为铜金属)。类似地，阴极通常包含上面涂 覆有含锂层的金属片材或箱(通常为铝金属)。最后，电化学单电池包含电解质，其介于阳极 和阴极之间。端子（terminal)使产生的电能够用于外部电路中。电化学单电池经由电化 学反应生产电。
[0004] 对于改进锂离子电池的增加的需求使对此类单电池中的材料以及它们的随着时 间变化的组成和性能的彻底了解成为必要。此外，合意的是此类分析技术是便宜且容易实 施的。
[0005] 因此，存在对用于评估锂离子电池中的组成和功能变化的改进的技术的需要。 [0006] 发明概述 本发明涉及以下项目： 1.用于确定锂离子电池电极样品中锂的量的方法，所述方法包括： 确定锂离子电池电极样品的粉末X射线衍射峰；和 将锂离子电池电极样品的粉末X射线衍射峰与一组具有预先确定的锂浓度的含锂样 品比较，以确定锂离子电池电极样品中锂的量。
[0007] 2.项目1的方法，其中所述锂离子电池电极样品是锂离子电池阴极样品。
[0008] 3.项目2的方法，其中从该组具有预先确定的锂浓度的含锂样品构造校准曲线， 所述校准曲线使得能够确定锂离子电池阴极样品中锂的量。
[0009] 4.项目3的方法，其中锂电池阴极的X射线衍射峰包括来自尖晶石相、层状相或 其组合的衍射峰。
[0010] 5.项目4的方法，其中所述校准曲线提供尖晶石相的至少一个晶格参数相对于 该组具有预先确定的锂浓度的含锂样品的锂浓度的标绘图。
[0011] 6.项目5的方法，其还包括：确定锂离子电池电极样品的至少一个晶格参数，将 其与校准曲线比较，以确定锂离子电池阴极样品中锂的量。
[0012] 7.项目6的方法，其中所述至少一个晶格参数是"a"晶格参数。
[0013] 8.项目7的方法，其中所述尖晶石相由式LixMn20 4所描述，其中X为0至1。
[0014] 9.项目7的方法，其中所述校准曲线是线性的，随着X从0至X变化，"a"晶格参 数从约8. 06埃至约8. 24埃变化。
[0015] 10.项目4的方法，其中所述校准曲线提供层状相的至少一个晶格参数相对于该 组具有预先确定的锂浓度的含锂样品的锂浓度的标绘图。
[0016] 11.项目10的方法，其还包括：确定锂离子电池电极样品的至少一个晶格参数， 将其与校准曲线比较，以确定锂离子电池阴极样品中锂的量。
[0017] 12.项目11的方法，其中所述至少一个晶格参数包括"a"晶格参数、"c"晶格参 数和其组合。
[0018] 13.项目12的方法，其中所述层状相由式LixMn1/3C 〇1/3Ni1/302所描述，其中X为0 至1。
[0019] 14.项目13的方法，其中所述校准曲线为线性的，随着X从0.5至1变化，"c"晶 格参数从约14. 23埃至约14. 5埃变化。
[0020] 15.项目13的方法，其中所述校准曲线为线性的，随着X从0.5至1变化，"a"晶 格参数从约2. 82埃至约2. 86埃变化。
[0021] 16.项目13的方法，其中所述校准曲线为线性的，随着X从0至0.5变化，"c"晶 格参数从约14. 17埃至约14. 23埃变化。
[0022] 17.项目1的方法，其中所述锂离子电池电极样品是锂离子电池阳极样品。
[0023] 18.项目17的方法，其中锂电池阳极样品的X射线衍射峰包括来自LiC6、LiC 12、石 墨或其组合的衍射峰。
[0024] 19.项目18的方法，其中将锂离子阳极样品中的LiC6、LiC12和石墨衍射峰的大小 与具有预先确定的锂浓度的含锂样品的组中的LiC 6、LiC12和石墨衍射峰的大小比较，以确 定锂离子阳极样品中锂的量。
[0025] 20.项目19的方法，其中通过峰高或通过衍射峰的积分面积来确定衍射峰的大 小。
[0026] 通过提供至少一个实施方案，用于确定锂离子电池电极样品中锂的量的方法，本 发明解决现有技术的一个或多个问题。所述方法包括确定锂离子电池电极样品的粉末X射 线衍射峰的步骤。将锂离子电池电极样品的粉末X射线衍射峰与一组具有预先确定的锂浓 度的含锂样品比较以确定锂离子电池电极样品中锂的量。有利地，所述方法提供了对锂离 子电池电极的配制和组成信息的便宜且快速的确定。需要此类信息以用于品质验证、故障 分析、竞争性评估（competitive assessment)和成本分析。
[0027] 附图简述 图1提供了锂离子电池组件的截面示意图； 图2提供了显示对锂离子电池电极样品中锂的量的确定的流程示意图； 图3提供了完全放电和完全充电的锂离子电池阴极的XRD峰； 图4提供了对于由式LixMn204所描述的尖晶石相的锂离子电池阴极校准曲线 (calibration curve)； 图5提供了对于由式LixMn1/3C〇1/3Ni1/30 2所描述的层状相的锂离子电池阴极校准曲线； 图6提供了完全放电和完全充电的锂离子电池阳极的XRD峰； 图7标绘了作为层状相的Li化学计量的函数的参考数据的晶格参数； 图8标绘了作为尖晶石相的Li化学计量的函数的参考数据的晶格参数。
[0028] 发明详述 现将详细地提及本发明目前优选的组合物、实施方案和方法，其构成了发明人目前知 晓的实践本发明的最佳模式。附图不必是按比例绘制的。然而，将理解的是公开的实施方 案仅为本发明的示例，其可以各种形式和可替代的形式实施。因此，本文公开的具体细节不 解释为限制性的，而仅作为本发明的任何方面的代表性基础和/或作为用于教导本领域技 术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。
[0029] 除了在实施例中，或在另行明确指明之处以外，在描述本发明的最宽的范围中，将 在该说明书中指明反应和/或用途的材料或条件的量的全部数值量理解为被词语"约"所 修饰。在所述的数值界限内的实践通常是优选的。同样地，除非明确地相反规定，百分比、 "份数"和比率值是按重量计；一组或一类材料对与本发明有关的给定目的而言是合适或优 选的描述暗示了该组或该类的任何两个或更多个成员的混合同样是合适或优选的；首字母 缩写或其他缩写的首次定义适用于全部的本文后续使用的相同缩写，并且应用对最初定义 的缩写的正常语法变型的必要修正；并且，除非明确地相反规定，性质的测量通过与在先或 在后对于相同性质所参照的相同的技术来确定。
[0030] 还将理解的是本发明不限于以下描述的具体实施方案和方法，这是因为具体组分 和/或条件毫无疑问可以变化。此外，本文使用的术语仅是为了描述本发明的特定实施方 案的目的，且不旨在以任何方式进行限制。
[0031] 必须注意到的是，正如在说明书和所附的权利要求书中使用的，单数形式"一个"、 "一种"和"所述"包括复数指示物，除非上下文另有明确指示。例如，以单数形式提及的组 分旨在包括多个组分。
[0032] 在整个本申请中，当引用出版物时，在此通过引用将这些出版物的公开内容以其 全部内容并入到本申请中，以更充分地描述本发明所属技术领域的状态。
[0033] 根据图1，提供了引入纤维片材（fibrous sheet)的实施方案的锂离子电池组件 的截面示意图。电池10包含阳极12,阴极14和电解质16。通常，阳极12由碳(例如石墨） 制成而阴极14由金属氧化物(例如锂镍钴氧化物）制成。电解质通常包括在有机溶剂中的 锂盐。隔膜（s印arat 〇r)18介于阳极12和阴极14之间由此使两个电极之间的电短路最小 化，同时允许离子例如锂（Li+)的通过。
[0034] 根据图2,提供了用于确定锂离子电池电极（即阴极或阳极）样品中锂的量的方法 的示意性图解。在步骤a)中，确定了（即测量了）锂离子电池电极样品32的粉末X射线衍 射峰30。在步骤b)中，将锂离子电池电极样品32的粉末X射线衍射峰30与一组34具有 预先确定的锂浓度的含锂样品比较以确定锂离子电池电极样品32中锂的量。
[0035] 在一种变型中，锂离子电池电极样品32是锂离子电池阴极样品。在该变型中，从 该组具有预先确定的锂浓度的含锂样品构造校准曲线。该校准曲线使得能够估计（即确定） 锂离子电池阴极样品中锂的量。在一个细化方案中，锂电池阴极的X射线衍射峰包括来自 尖晶石相、层状相或其组合的衍射峰。图3提供了完全放电和完全充电的阴极材料的X射 线峰。通常，校准曲线提供尖晶石相的至少一个晶格参数相对于该组具有预先确定的锂浓 度的含锂样品的锂浓度的标绘图。由X射线衍射峰来确定锂离子电池阴极样品的晶格参数 以提供经计算的晶格参数。通常，通过对XRD数据的Reitveld精修来确定晶格参数。将 经计算的晶格参数与校准曲线比较以确定锂离子电池阴极样品中的锂的量。例如，尖晶石 相由式Li xMn204来描述，其中X为0至1，且晶格参数可为"a"晶格参数。在图4中描述的 变型中，将校准曲线估计为线性的，其由等式x= (5. 53+/-10%) · a- (44.59+/-10%)所定 义，随着X从0至X变化，"a"晶格参数从约8. 06埃至约8. 24埃变化。在该变型中，校准 曲线提供了层状相的至少一个晶格参数(例如"a"参数)相对于该组具有预先确定的锂浓度 的含锂样品的锂浓度的标绘图。将对锂离子电池电极样品计算的至少一个晶格参数(例如 "a"参数）与校准曲线比较以确定锂离子电池阴极样品中锂的量。
[0036] 在另一个细化方案中，层状相由式LixMn1/3C 〇1/3Ni1/302来描述，其中X为0至1。 在该细化方案中，晶格参数包括"a"晶格参数、"c"晶格参数及其组合。由X射线衍射峰 确定锂离子电池阴极样品的晶格参数。如在图5中所描述的，当a多2.82埃时，校准曲 线是线性