[发明专利]具有依赖尺寸的组成的正极材料

说明书

技术领域和背景

本发明涉及用于Li离子电池的具有化学式Li_aNi_xCo_yMn_zM’_mO_2±eA_f的阴极材料（M’是Al、Mg、Ti、Cr、V、Fe、Ga中的一种或多种；并且A是F、C、Cl、S、Zr、Ba、Y、Ca、B、Sn、Sb、Na和Zn中的一种或多种），其中在颗粒中具有不均匀的Ni/Mn比率并且该材料具有优良的容量、速率和衰减速率特征。还披露了制造这些材料的一种方法。

由于它们的高能量密度，可再充电的锂和锂离子电池可以用于各种便携式电子设备的应用中，如便携式电话、膝上计算机、数码照相机以及摄像机。可商购的锂离子电池典型地由基于石墨的阳极和基于LiCoO₂的阴极材料组成。然而，基于LiCoO₂的阴极材料是昂贵的并且典型地具有约150mAh/g的相对低的容量。

基于LiCoO₂的阴极材料的替代方案包括LNMCO类型的阴极材料。LNMCO是指锂-镍-锰-钴-氧化物。这种组合物是LiMO₂或Li_1+x′M_1-x′O₂，其中M=Ni_xCo_yMn_zM’_m。LNMCO具有与LiCoO₂相似的分层的晶体结构（空间群r-3m）。LNMCO阴极的优点是组合物M与Co相比低得多的原材料价格。加入Ni提供了放电容量上的增加，但是这受到随着Ni含量提高逐渐降低的热稳定性的限制。为了补偿这种问题，将Mn加入到结构中作为稳定元素，但是同时又损失了一些容量。

LNMCO的制备在多数情况下比LiCoO₂更复杂，因为需要特别的前体，其中这些过渡金属阳离子被很好地混合。典型的前体是经混合的过渡金属氢氧化物、羟基氧化物或碳酸盐。典型的阴极材料包括具有化学式LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂、LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂或Li_1.05M_0.95O₂的组合物，其中M=Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂。与LiCoO₂相比，LNMCO趋向于具有较低的锂的体扩散速率（bulk diffusion rate），这会限制一种给定的组合物的最大可能的粒度。取决于其组合物，一个真实电池中的充电的阴极的安全性会是个问题。安全性事件最终是由被氧化的表面与还原性电解质之间的反应而造成的。因此如果这些颗粒具有高的表面积（如果粒度小，就是这种情况），安全性问题就更严重了。结论是较低性能的LNMCO要求小的粒度，这损害了安全性。对于“LiNi_xCo_yMn_zO₂”系统同样如此，其中给定量的Ni和Mn的存在重点用于改进功率表现和稳定该结构，对于大小两种颗粒的均匀的组成导致了在功率和安全性能上的折中，这是由于不可避免的粒度分布。事实上，对于安全性能与Mn含量直接相关的小颗粒，将需要更高的Mn浓度来实现与对于更大颗粒而言相同的安全性行为。另一方面，大颗粒中镍含量的增加可能增强LiNi_xCo_yM_zO₂系统的性能。本发明提供了针对这个问题的一种解决方案。

概述

从第一个方面看，本发明可以提供一种锂金属氧化物粉末，该粉末用作可再充电电池的阴极材料并具有通式Li_aNi_xCo_yMn_zM’_mO_2±eA_f，其中0.9<a<1.1、0.2≤x≤0.9、0<y≤0.4、0<z≤0.7、0≤m≤0.35、e<0.02、0≤f≤0.05并且0.9<(x+y+z+m+f)<1.1；