专利名称：混合的锂镍钴氧化物和锂镍锰钴氧化物的阴极的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种正极材料，其是锂镍钴氧化物(及其铝取代的化合物)和锂镍锰钴氧化物的共混组合，其可以用在非水电解质锂二次电池中。
背景技术：
锂镍钴氧化物(LNCO)是众所周知的锂离子电池(LIB)阴极材料。其特性是具有高比容量(以库仑/克或更通常以安时/千克为单位测量)和高额定容量(功率容量)。然而，LNCO在约200°C或更高的温度下当在充电状态时可氧化LIB电池中的有机电解质，从而导致热耗散或电池成分的降解。这种不期望的氧化是由于带电阴极的结构中的Ni4+和Co4+ 氧化物以及微晶表面上的NiO所释放出来的氧气导致的。
LIB的总体安全性对于电池设计和/或电池包装设计来说是个问题。电解质、隔膜、阳极、以及电池过度充电保护电路的选择可影响LIB设计中的安全性。然而，对于消费者来说，电子元件，例如手机和笔记本电脑，都需要高能量电池，手持动力工具也需要高能量和功率电池，由于关注上述热耗散，LNCO得不到应用。如果发现方式通过提高热稳定性而在LIB中商业应用LNC0，这将对现有技术提供有用的贡献。
锂镍锰钴氧化物(LNMCO)具有与LNCO相同的结晶结构(03)，即是层状的。在材料的金属板层中加入锰会通过减少热分解时释放的氧的量而增加材料的安全性。另外，当添加“过量”的锂(即锂占据了金属板中的位点)时，通过在材料内产生高稳定性Li2MnO3(亚锰酸锂)类岩盐结构，材料将进一步稳定。在LIB中典型地使用的充电电压下(< 4. 4V)， LNMCO材料比LNCO材料具有更低的比容量。
衍生自锂锰氧化物尖晶石(LiMn2O4)和LNCO的阴极材料是已知的。然而，所得尖晶石类型结构不是层状的，并且含有相对高含量的锰。
LNMC0、其加成衍生物和LNCO材料都具有层状结构或者通道结构，这能够以可逆的方式吸附或解吸(嵌入或脱出)锂离子。如果能找到一种方式将LNMCO和LNCO结合在掺混物中，并保持相对高的比容量，同时增强阴极电解质系统的热稳定性，也将对现有技术提供有用的贡献。
此外，含有锂负极的非水电解质二次电池作为驱动无线电子元件或者电器的电源非常有前景，因为它们能产生高电压，提供高能量密度。然而，为了满足近年来对高能量密度的需求，需要具备更高的容量。因此需要改进的电池设计，这种设计引入可以用于二次 LIB的稳定活性正极材料。
发明概要 在一个实施方案，本发明描述了一种正极活性材料掺混物，它包含XLNMC0(1-X) LNM1O,其中0 < χ < 1，且M1是Co或者Al中的至少一种； 其中LWCO 是 Li(1+y)M2(1-y)02，其中 0 ≤y ≤0.9，且 M2 = MnaNibCoc，其中 a+b+c = 1 且(l+y)/(l-y)-l ≤a ≤1，且 0<b/c ≤100;以及 其中L匪 1O 选自=LiNidCoeO2，其中 d+e = 1 且 O < d/e 彡 100 ；和 LiNi1-Wz,) CozAlz, O2，其中 O < z+z，< 1。
在另一实施方案中，本发明提供一种非水电解质锂二次电池，它包含正极、负极和非水电解质，其中所述正极包含掺混物XLNMCO(I-X) LNM1O,其中O < χ < 1且M1是Co或者 Al中的至少一种； 其中LWCO 是 Li(1+y)M2(1_y)02，其中 O 彡 y 彡 0. 9 且 M2 = MnaNibCoc，其中 a+b+c = 1 且(l+y)/(l-y)_l 彡 a 彡 1，且 O < b/c 彡 100 ；以及 其中LW1O 选自=LiNidCoeO2，其中 d+e = 1 且 O < d/e 彡 100 ；和 LiNi1-^z’) CozAlz, O2，其中 O < z+z，< 1。
图1描述了一钮扣电池实施方案的循环电压随时间变化的曲线，该电池具有含 LMNCO的活性阴极材料。
图2描述了另一钮扣电池实施方案的循环电压随时间变化的曲线，该电池具有含重量比为75/25的LMNCO和LNC0-1掺混物的活性阴极材料。
图3描述了另一钮扣电池实施方案的循环电压随时间变化的曲线，该电池具有含重量比为25/75的LMNCO和LNC0-1掺混物的活性阴极材料。
图4描述了对比钮扣电池的循环电压随时间变化的曲线，该电池具有含LNC0-1的活性阴极材料。
图5描述了含有LMNCO的活性阴极材料的DSC曲线，显示热流随温度的变化，该阴极材料分离自图1的钮扣电池实施方案。
图6描述了含有重量比为75/25的LMNCO和LNC0-1掺混物的活性阴极材料的DSC 曲线，显示热流随温度的变化，该阴极材料分离自图2的钮扣电池实施方案。
图7描述了含有重量比为25/75的LMNCO和LNC0-1掺混物的活性阴极材料的DSC 曲线，显示热流随温度的变化，该阴极材料分离自图3的钮扣电池实施方案。
图8描述了含有LNC0-1的活性阴极材料的DSC曲线，显示热流随温度的变化，该阴极材料分离自图4的钮扣电池实施方案。
发明详述 本发明提供了一种应用于电池的正极材料，这种材料是掺混的锂镍钴氧化物(及其铝取代的化合物)和锂镍锰钴氧化物组合，其可以应用于非水电解质锂二次电池。
定义 术语“循环”指充电半循环和放电半循环的组合，其中电池或电池组在充电半循环吸收并储存电能，在放电半循环释放电能。
术语“阴极”指含有相容性阴极材料的电极，其在二次电解质电池中起到正极(阴极)的作用，并且能够再充电(再循环)。
术语“锂阳极”或者“锂负极”指含有锂的阳极，包括金属锂、锂合金(例如锂与铝、 汞、锌等的合金)，以及嵌入类含锂的阳极，例如基于碳、钒氧化物、钨氧化物等的那些。
术语“电解质溶剂”或者“溶剂”指在电化学电池运行期间用于使盐增溶的有机溶剂。该溶剂可以是任何低电压非质子极性溶剂。优选地，此类材料的特点在于沸点高于约85°C。合适的电解质溶剂包括例如碳酸异丙烯酯、碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、 甲基乙基碳酸酯、焦碳酸二乙酯、1，2_ 二甲氧基乙烷、1，2_ 二乙氧基乙烷、Y-丁内酯、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1，3_ 二氧杂环戊烷、4-甲基-1，3-二氧杂环戊烷、二乙醚、环丁砜、 乙腈、丙腈、戊二腈、苯甲醚、1-甲基-2-吡咯烷酮、甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、三甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚、二甲亚砜等或其混合物。优选地，所述溶剂包括有机碳酸酯的混合物。
术语“盐”指任何适用于非水电解质的离子传导性无机盐。代表性例子是阴离子半径大的弱碱的流动性低的阴离子的碱金属盐，特别是锂盐。这些阴离子的例子是r、Br_、 SCN_、C104_、BF4_、PF6_、AsF6_ 等。合适的锂盐的具体例子包括 LiN(S02CF3)2、LiN(SO2C2F5)2, LiASF6, LiPF6, LiBF4, LiB (C6H5)4、LiCl、LiBr、LiI、CH3SO3Li、CF3SO3Li、LiC104、LiSCN 等。
电极活性材料 本发明提供了电化学活性材料(本文称为“电极活性材料”)混合物或掺混物。术语“掺混物”或“混合物”指两种或多种单个活性材料的物理混合物形式的组合。优选地，掺混物中的各单个活性材料在正常的操作条件下混合后保留各自的化学组成，除了在使用所述材料的电池实质上可逆循环过程可发生的变化之外。这种混合物包含离散区域或粒子， 各区域或粒子都包含具有给定化学组成的活性材料，优选单一活性材料。优选地，本发明的材料包含基本上均勻分布的粒子。
本发明的正极活性材料包括LNCO和LNMCO材料的掺混物，这种材料出乎意料地保持了高容量，并增强了阴极-电解质系统的热稳定性。在下式中，LNCO材料由术语LNM1O表示，其中M1是Co或者Al中的至少一种。
在一个实施方案中，所述掺混物可以写作XLWCO(I-X)L匪1O,其中0 < χ < 1且M1 是Co或者Al中的至少一种； 其中LWCO 是 Li(1+y)M2(1_y)02，其中 0 彡 y 彡 0.9 且 M2 = MnaNibCoc，其中 a+b+c = 1 且(l+y)/(l-y)_l彡a彡1，且c乒0时0<b/c彡100，或者c = 0时b = l_a ；以及 其中LNM1O 选自=LiNidCoeO2，其中 d+e = 1，且 e 乒 0 时 0 彡 d/e 彡 100，或者 e = 0 时 d = 1 ；和 LiNi1-(ZY)CozAlz, O2，其中 0 < z+z，< 1。
在另一实施方案中，所述掺混物是XLNMCO(I-X)LNM1O,其中ο < χ < ι且M1是C0 或者Al中的至少一种； 其中LWCO 即 Li(1+y)M2(1_y)02，其中 O 彡 y 彡 0. 9 且 M2 = MnaNibCoc，其中 a+b+c = 1 且(l+y)/(l-y)_l 彡 a 彡 1，且 O < b/c 彡 100 ；以及 其中L匪 1O 选自=LiNidCoeO2，其中 d+e = 1 且 O < d/e 彡 100 ；和 LiNi1-Wz,) CozAlz, O2，其中 O < z+z，< 1。
优选的LNMCO是LiNi1/3Mni/3COl/302，获自阿尔贡(伊利诺斯州)国家实验室 (Argonne, Illinois)。
优选的LNCO化合物是LiNia8Coa2O2，可以以“LNC0-1”获自巴斯夫催化剂公司 (Iselin，新泽西州)。另外一种可用的LNCO是LiNia SCoacil5Alci.Q502，可获自日本广岛的Toda Kogyo0 本发明的活性阴极掺混物提供了可用的层状结构。此外，相比于其它已知的锂混合金属氧化物，本发明的活性阴极掺混物具有较低的锰含量。
下述实施例进一步阐述本发明，但当然不应理解为以任何方式限制其范围。在实施例中，下述有机溶剂使用了首字母缩写碳酸亚乙酯(EC)，碳酸二甲酯(DMC)，和碳酸乙酯(DEC)。
实施例1 制备阴极活性材料浆料。
使用下述四种活性正极材料复合物 1. LiNil73Mnl73Col73O2 100% (参考 DR28) 2. LiNil73Mnl73Col73O2 75%, LNC0-1 25% (参考 DR29) 3. LiNil73Mnl73Col73O2 25%, LNC0-1 75% (参考 DR30) 4. LNC0-1 100% (参考 DR31) 制备参考样品DM9和DR30，作为活性阴极材料掺混物。
使用表1所示的各参考材料制备示例性阴极活性浆料配制物。
表 1
权利要求
1.一种正极活性材料掺混物，包含XLWCO(I-X)LWiO,其中0 < X < 1，且M1是Co或者Al中的至少一种； 其中 LWCO 是 Li(1+y)M2(1_y)02，其中 0 彡 y 彡 0. 9，且 M2 = MnaNibCoc，其中 a+b+c = 1 且 (l+y)/(l-y)-l 彡 a 彡 1，且 O < b/c 彡 100 ；以及其中 LNM1O 选自=LiNidCoeO2，其中 d+e = 1 且 O < d/e 彡 100 ；禾口 LiNi1-(ZW)CozAlO2, 其中 O < z+z，< 1。
2.如权利要求1所述的正极材料掺混物，其中LNM1O是LiNidCoeO2，其中d+e= 1且O<d/e 彡 100。
3.如权利要求2所述的正极材料掺混物，其中LNM1O是LiNia8Coa202。
4.如权利要求1所述的正极材料掺混物，其中LNMCO是Li(1.05) (Nii/3Mn1/3Co1/3) 0 9502O
5.如权利要求3所述的正极材料掺混物，其中LNMCO是Li(1.05) (Nii/3Mn1/3Co1/3) 0 9502O
6.如权利要求5所述的正极材料掺混物，其中X为约0.25至约0. 75。
7.如权利要求1所述的正极材料掺混物，其中LNM1O是LiNi1-^z，)CozAlz，O2，其中O<z+z，< 1。
8.如权利要求7所述的正极材料掺混物，其中LNM1O是LiNia8Coa15Α1α(1502。
9.一种非水电解质锂二次电池，包括正极、负极和非水电解质，其中所述正极包含掺混物XLWCO(I-X)L匪1O,其中O < χ < 1且M1是Co或者Al中的至少一种；其中 LWCO 是 Li(1+y)M2(1_y)02，其中 O 彡 y 彡 0. 9 且 M2 = MnaNibCoc，其中 a+b+c = 1 且 (l+y)/(l-y)-l 彡 a 彡 1，且 O < b/c 彡 100 ；以及其中 LNM1O 选自=LiNidCoeO2，其中 d+e = 1 且 O < d/e 彡 100 ；禾口 LiNi1-(ZW)CozAlO2, 其中 O < z+z，< 1。
10.如权利要求9所述的非水电解质锂二次电池，其中所述负极包含锂金属。
11.如权利要求9所述的非水电解质锂二次电池，其中LNM1O是LiNidCoeO2，其中d+e= 1 且 O < d/e 彡 100。
12.如权利要求11所述的非水电解质锂二次电池，其中LNM1O是LiNia8Coa202。
13.如权利要求9所述的非水电解质锂二次电池，其中LNMCO是Li(U5) (Nil73Mnl73Col73) 0.9502。
14.如权利要求12所述的非水电解质锂二次电池，其中LNMCO是Li(U5) (Nil73Mnl73Col73) 0.9502。
15.如权利要求14所述的非水电解质锂二次电池，其中χ为约0.25至约0. 75。
16.如权利要求9所述的非水电解质锂二次电池，其中所述电解质包含溶剂，所述溶剂选自碳酸异丙烯酯、碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、甲基乙基碳酸酯、焦碳酸二乙酯、1，2-二甲氧基乙烷、1，2-二乙氧基乙烷、Y-丁内酯、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1， 3- 二氧杂环戊烷、4-甲基-1，3- 二氧杂环戊烷、二乙醚、环丁砜、乙腈、丙腈、戊二腈、苯甲醚、1-甲基-2-吡咯烷酮及其混合物。
17.如权利要求9所述的非水电解质锂二次电池，其中所述电解质包含盐，该盐选自 LiN(SO2CF3)2^ LiN(SO2C2F5)2、LiASF6, LiPF6, LiBF4, LiB(C6H5)4, LiCl、LiBr, Lil、CH3SO3Li, CF3SO3Li、LiClO4 和 LiSCN。
全文摘要
本发明提供了一种正极材料，其是锂镍钴氧化物(及其铝取代的化合物)和锂镍锰钴氧化物的共混组合。还提供了一种具有高比容量和良好热稳定特性的非水电解质锂二次电池。
文档编号H01M4/505GK102187510SQ200980140577
公开日2011年9月14日 申请日期2009年10月13日 优先权日2008年10月13日
发明者K·J·兰伯特, J·迪卡洛, K·布拉姆尼克, P·津达沃 申请人:巴斯夫公司