[发明专利]磷酸锰和相关的电极活性材料

说明书

技术领域

本发明要求于2009年9月24日提交的第61/245,504号美国申请的优先权。

本发明涉及使用正极活性材料的电化学电池，所述电池具有提高了的性能。具体地，本发明涉及包含磷酸盐化合物的活性材料，所述磷酸盐化合物含有锂、锰和其它碱金属、金属和过渡金属。

背景技术

电池是通过电化学氧化-还原反应将化学能转化成电能的装置。电池被用在各种各样的用途中，尤其是作为实际上不能被集中发电电源驱动(例如通过使用输电线的商业发电厂驱动)的装置的电源。

电池可以被一般性地描述为包含三个组成部分：阳极，其含有在电池放电过程中(即，当其提供电能时)被氧化(产生电子)的材料；阴极，其含有在电池放电过程中被还原(接受电子)的材料；以及电解质，其提供离子在阴极和阳极之间的转移。在放电过程中，阳极是电池的负极，且阴极是正极。电池的更具体的特征可以是形成这三个组成部分中的每一个的具体材料。选择这些组成部分能够得到具有特定电压和放电特性的电池，所述特定电压和放电特性可被优化用于具体的应用。

电池可以被一般性地分类为“一次电池”，其中电化学反应基本上是不可逆的，因此电池一旦被放电就不能再用；以及“二次电池”，其中电化学反应至少部分地是可逆的，从而电池能够被“再充电”并使用超过一次。在很多应用中，正更多地使用二次电池，因为它们方便(尤其是在很难换电池的用途中)、成本降低(通过减少替换的需要)以及对环境有益(通过减少电池处理的废物)。

本领域中已知有多种二次电池系统。其中，最常见的系统包括铅-酸电池、镍-镉电池、镍-锌电池、镍-铁电池、氧化银电池、镍金属氢化物电池、可充电锌-锰二氧化物电池、锌-溴化物电池、金属-空气电池和锂电池。含有锂和钠的系统提供许多潜在的益处，因为这些金属质轻，同时具有高的标准电位。由于多种原因，锂电池在商业上尤其有吸引力，因为它们具有高能量密度、更高的电池电压(cell voltage)和长的寿命。

锂电池由一种或多种含有电化学活性(电活性)材料的锂电化学电池制备而成。这样的电池包括具有金属锂阳极和金属硫族化物(氧化物)阴极的电池，其通常被称为“锂金属”电池。电解质通常包含溶解在一种或多种溶剂(通常为非水非质子有机溶剂)中的锂盐。其它电解质是固体电解质(通常为聚合基质)，其含有离子导电性(ion conductive)介质(通常为溶解在有机溶剂中的含锂的盐)与聚合物(其本身可以是离子导电性的但电子绝缘的)的组合。

具有金属锂阳极和金属硫族化物阴极的电池在初始条件下被充电。在放电过程中，锂金属在阳极处向外部电路给出电子。带正电荷的离子被产生，其经过电解质至阴极的电化学活性(电活性)材料。来自阳极的电子经过外部电路，驱动该装置，并回到阴极。

另一锂电池使用“插入式阳极”，而不是锂金属，且通常被称为“锂离子”电池。插入式或“嵌入式”电极含有具有晶格结构的材料，可以将离子插入所述晶格结构中并随后将其抽出。离子不从化学上改变嵌入材料，而是轻微地扩张化合物的内部晶格长度，而不发生大量的键断裂或原子重组。插入式阳极含有例如锂金属硫族化物、锂金属氧化物或碳材料，例如焦炭和石墨。这些负电极与含锂的插入式阴极一起使用。在它们的初始条件下，电池未被充电，因为阳极不含有阳离子源。因此，在使用前，这样的电池必须被充电以便将阳离子(锂)从阴极转移至阳极。在放电期间，锂随后从阳极被转移回阴极。在随后的再充电期间，锂再一次被转移回阳极，并在此处再次插入。锂离子(Li+)在充电和放电循环过程中在阳极和阴极之间的这种反复传输已导致这些电池被称为“摇椅式”电池。