[发明专利]用于锂电池的高倍率和高能量的阴极材料

说明书

技术领域

本发明一般涉及适用于非水电化学电池的阴极材料，其包含铜锰钒氧化物以及任选的氟化碳。本发明还涉及包含这种阴极材料的非水电化学电池且还涉及包括锂阳极的这种非水电化学电池。

背景技术

锂电化学电池，更普遍地称为电池(组)，广泛用于各种军用和民用产品。这些产品中许多是使用高能和高功率电池。部分由于便携电子设备的小型化，期望开发具有增加的功率容量和使用寿命的更小的锂电池。开发具有增加的功率容量的更小的电池的一种途径是开发更高能(量)的阴极材料。

高能阴极材料的一个例子是氟化碳(即，CF_x)。CF_x常常与锂阳极一起用于军用设备和可植入医疗设备等的不可再充电的(原)电池。CF_x(其中x＝1.0)具有约860mAh/g的比能量。高能阴极材料的其他例子包括银钒氧化物和二氧化锰，它们分别具有约315和308mAh/g的比能量。

可再充电(二次)电池，例如锂离子电池，的阴极相比原电池的阴极一般具有更低的能量存储容量。然而，二次电池通常可充电几百次，这显著地降低了寿命成本和电池处理成本。用于锂离子电池的二次电池阴极的例子包括锂钴氧化物、磷酸铁锂和锂镍钴氧化物。

为了满足对于更持久的和/或更小型的电池的需求，仍然需要表现出像原电池一样更高的能量、具有像二次电池一样的部分或全部可充电容量的阴极，从而延长电池寿命并有效降低整体成本。已提出混合阴极材料作为实现这种改进的原和/或二次电池的一种可能方法。混合阴极材料的其它优点包括提高阴极的倍率性能和/或稳定性，同时保持单位重量和/或体积的能量密度。实现这些优点的方法通常包括混合具有高倍率性能的阴极材料和高能密度的阴极材料。

美国专利No.7,476,467公开了一种二次锂电池的阴极材料。该阴极活性材料包括(A)具有尖晶石结构的锂锰-金属复合氧化物与(B)具有层状结构的锂镍-锰-钴复合氧化物的混合物。由于改善的锂和金属氧化物的性能，所述的阴极活性材料据说在室温和高温下均具有出众的安全性和长期使用寿命。

如本领域技术人员所知，使用包含氟化碳和某些金属氧化物的复合阴极来提供具有降低的电压延迟、改善的倍率性能和低温性能的电池。例如，美国专利No.5,667,916描述了具有CF_x与其它材料或其它材料混合物的阴极混合物的电池，该其它材料包括例如氧化铜。同样，美国专利No.5,180,642公开了具有阴极混合物的电化学电池或电池组，该阴极混合物包含二氧化锰(MnO₂)、一氟化碳(CF_x，其中x＝1)或这两者的混合物、以及选自钒氧化物、钒酸银、氟化铋和硫化钛的其它添加剂。

已公知铜钒氧化物电极一般用于锂电池。例如，美国专利No.4,310,609公开了采用一种电化学电池，其具有由与第IB、IIB、IIIB、IVB、VB、VIB、VIIB或VIIIB族金属如铜氧化物发生化学反应的钒氧化物组成的复合氧化物基底作为正极。美国专利No.5,670,276描述了具有铜银钒氧化物阴极的非水电化学电池，其中铜银钒氧化物由钒氧化物与硝酸铜和氧化银，或氧化铜和硝酸银结合制得。

尽管美国专利No.4,310,609和No.5,670,276中描述的电极材料的能量密度与某些活性材料如氧化锰相比得到改善，但仍然非常需要提高锂电池和电池组的铜-钒氧化物基电极，特别是与具有高能密度材料如CF_x结合使用的铜-钒氧化物基电极，的电化学性能和使用寿命。现在我们已经发现通过利用简单且环境友好的化学合成，锰、铜和钒可以结合形成具有增加的容量和所需放电曲线的混合氧化物电极。

发明内容

一方面涉及非水电化学电池。该电池包括：(i)阳极；(ii)包含铜锰钒氧化物的阴极；(iii)设置在阳极和阴极之间的分隔物；以及(iv)与阳极、阴极和分隔物流体接触的非水电解质。

另一方面涉及非水电化学电池，其中所述铜锰钒氧化物具有通式Cu_xMn_yV_zO_w，以及(i)其中铜具有约1到约3的氧化态；(ii)其中锰具有约2到约7的氧化态；(iii)其中钒具有约2到约5的氧化态；(iv)x、y和z各自具有大于或等于零的值；(v)x+y+z的总数为约1到约3，以及(vi)w具有大于零的值，该值可以实验确定并且与x、y和z的值以及铜、锰和钒的氧化态相一致。

另一方面涉及一种前述的非水电化学电池，其中所述阴极材料还包含氟化碳。