[发明专利]高能量锂离子二次电池

说明书

相关申请案的交叉引用

本专利申请案主张同在申请中的由巴克利(Buckley)等人于2009年3月13日申请且标题为“高能量锂离子二次电池(High Energy Lithium Ion Secondary Batteries)”的美国专利申请案第12/403,521号和由巴克利(Buckley)等人于2008年4月16日申请且标题为“高能量锂离子二次电池(High Energy Lithium Ion Secondary Batteries)”的美国临时专利申请案第61/124,407号的优先权，所述专利申请案以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及在电池配置中具有高能量正电极材料的锂离子二次电池，所述高能量正电极材料为所得电池提供特别高的放电能量密度。本发明还涉及形成所述高能量锂离子二次电池的方法。

背景技术

锂电池由于其相对较高的能量密度而广泛用于消费性电子产品中。可再充电电池也称为二次电池，且锂离子二次电池一般具有嵌有锂的负电极材料。对于一些当前商业电池而言，负电极材料可为石墨，且正电极材料可包含氧化锂钴(LiCoO₂)。实际上，仅可利用大致50％的理论阴极容量，例如大致140毫安时/克(mAh/g)。至少两种其它锂基阴极材料当前也用于商业用途中。这两种材料是具有尖晶石结构的LiMn₂O₄和具有橄榄石结构的LiFePO₄。这些其它材料并未在能量密度方面提供任何显著的改良。

一般将锂离子电池基于其应用分为两个类别。第一类别涉及高功率电池，借此锂离子电池组电池是经设计成传递用于动力工具和混合电动车辆(Hybrid Electric Vehicle)等应用的高电流(安培)。然而，根据设计，这些电池组电池能量较低，这是因为提供高电流的设计一般会降低可自电池传递的总能量。第二设计类别涉及高能量电池，借此锂离子电池组电池是经设计成传递用于蜂窝式电话、膝上型计算机、电动车辆(EV)和插电式混合电动车辆(PHEV)等具有较高总能量传递的应用的低至中等电流(安培)。

发明内容

在第一方面中，本发明是关于一种锂离子二次电池，其包含含正电极活性材料和粘合剂的正电极、含第一嵌锂组合物的负电极、含锂离子的电解质和在所述正电极与所述负电极之间的隔离物。在一些实施例中，所述电池当自4.6V放电至2.0V时具有至少约240Wh/kg的放电能量密度。所述电池的所述正电极的正电极活性材料包含第二嵌锂组合物。所述电池的所述正电极可包含至少约92重量百分比的正电极活性材料。正电极活性材料包含由式xLiMO₂·(1-x)Li₂M′O₃表示的第二嵌锂组合物，其中M为一种或多种三价金属离子，其中至少一种金属离子是Mn⁺³、Co⁺³或Ni⁺³，且M′表示一种或多种具有+4的平均化合价的金属离子且0＜x＜1。在一些实施例中，第二嵌锂组合物可进一步包含约0.1摩尔百分比至约10摩尔百分比的金属氟化物作为涂层。在其它实施例中，所述电池的正电极可包含约0.1重量百分比至5重量百分比的导电剂和约0.5重量百分比至7.9重量百分比的聚合物粘合剂，所述物质不同于第二嵌锂组合物。粘合剂可包含平均分子量为至少约800,000原子质量单位的聚合物。在一些实施例中，所述电池的负电极在集电器的单侧上具有约65微米至约200微米的厚度。在其它实施例中，所述电池可具有至少约250Wh/kg至550Wh/kg的放电能量密度。所述电池可具有至少约550Wh/l的体积放电能量密度。