[发明专利]铌氧化物组合物和使用其的方法

说明书

优先权声明

本申请案根据35U.S.C.§119(e)主张对2010年7月30日提出申请且标题为“铌氧化物组合物和使用其的方法(Niobium Oxide Compostions and Methods for Using Same)”的美国临时专利申请案第61/369,515号的优先权，所述申请案的整体内容以引用的方式并入本文中。

政府权益的声明

本发明的至少一部分是使用来自美国能源部(the United States Department of Energy)通过劳伦斯伯克力国家实验室(Lawrence Berkley National Laboratory)授权号6805919MOD8所提供的资金来开展。美国政府拥有本发明中的某些权利。

技术领域

本发明涉及可用于二次锂离子蓄电池的电极、特定地阳极中的铌氧化物组合物、含有所述组合物的电极和二次蓄电池，和在电极和二次蓄电池中使用其的方法。

背景技术

二次(可再充电)锂离子蓄电池广泛地用于消费者电子装置中，例如蜂窝式电话和膝上型电脑，此部分地是由于其高能量密度。二次蓄电池将电能作为化学能储存在两个电极(即，阳极(还原剂)和阴极(氧化剂))中。在二次可再充电锂离子蓄电池中，阳极与阴极在蓄电池内部通过间隔件保持隔开，所述间隔件可透过锂离子电解质且允许锂离子(Li⁺)在蓄电池内部在电极之间传递，但迫使电子在外部电子电路中移动。阳极和阴极通常包括锂离子可以可逆地插入到其中的化合物。电解质通常含有溶解于有机液体中以产生锂离子的锂盐。经常地，电解质含有易燃有机液体碳酸酯。常规锂离子蓄电池一般使用电化学电位与电解质还原时的能量匹配较差的阳极，此造成较低的容量且除非控制充电速率，否则此可导致内部短路而使电解质着火。

常规锂离子二次蓄电池经设计以使得电解质具有在其LUMO(最低占据分子轨道)与HOMO(最高占据分子轨道)之间的窗口。此窗口通常比元素锂的费米能量(Fermi energy)(电化学电位)低1.1eV与4.3eV之间。常规锂离子二次蓄电池还具有由以下方程式所描述的开路电压：

V_OC＝(E_FA-E_FC)/e

其中E_FA是阳极的费米能量，E_FC是阴极的费米能量，且e是电子的电荷的大小。如果E_FA高于电解质的LUMO的能量，那么除非在阳极表面上形成钝化层，否则在使用蓄电池期间电解质将被还原。此固体电解质中间相(SEI)钝化层含有元素锂(Li⁰)以不阻止锂离子转移穿过。

当常规锂离子二次蓄电池充电时，锂离子从电解质转移到阳极。同时电子(e^-)也转移到阳极。可使用较高的电压以使蓄电池更迅速地充电，但如果为了获得快速充电所使用的电压使得进入电子的能量增加超过金属锂的费米能量(电化学电位)，那么锂离子将在阳极上作为元素锂不均匀地从电解质析出。如果发生此过程，那么阳极可产生苔状表面(mossy surface)，且最终锂枝晶可生长穿过电解质到达阴极并使蓄电池短路，造成灾难性后果(例如着火)。

为防止所述短路，通常使用碳作为锂离子可逆地插入到其中的阳极材料。锂离子插入到碳中是从C到LiC₆的两相反应且提供大约0.2V对Li⁺/Li⁰的稳定电压。不幸的是，经还原碳的电化学电位高于电解质LUMO且因此碳阳极形成钝化SEI层，如上文所描述。此层增加阳极的阻抗，在初次充电时使阴极不可逆地丧失锂，并限制充电电压且因此限制充电速率。如果电池充电太快(通常在1.0V对Li⁺/Li⁰的电压下)，那么锂离子不能在其作为元素锂在SEI层的表面上析出之前穿过SEI层，此也如上文所描述。此问题限制蓄电池的充电速率且可需要额外电路作为对抗蓄电池短路的安全措施。此外，阴极的容量通常限制电池的容量，且在充电期间锂捕获于阳极SEI层中可降低阴极的容量且因此降低电池中所储存的能量。