[发明专利]具有增强的能量密度特性的高能量锂二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及具有增强的能量密度特性的高能量锂二次电池。更具体地，本发明涉及高能量锂二次电池，包含：正极，所述正极包含由下式1表示并具有层状结构的第一正极活性材料和由下式2表示并具有尖晶石结构的第二正极活性材料作为正极活性材料，其中基于所述正极活性材料的总重量，所述第一正极活性材料的量为40～100重量%；负极，所述负极包含具有300mAh/g以上容量的无定形碳；以及隔膜。

背景技术

随着移动装置技术的持续发展和由其造成的需求的持续升高，对作为能源的二次电池的需求急剧增加。另外，近来已经将二次电池用作电动车辆(EV)、混合电动车辆(HEV)等的电源。因此，正在对能满足各种需求的二次电池进行研究，特别地，对具有高能量密度、高放电电压和高输出稳定性的锂二次电池的需求增多。

常规上，通常将具有层状结构的锂钴复合氧化物用作锂二次电池的正极活性材料。然而，当将这种锂钴复合氧化物用作正极活性材料时，作为主要组分的钴非常昂贵，且其层状结构随Li离子的重复嵌入和脱嵌而发生体积变化，并在超过一半的Li离子发生脱嵌时所述层状结构崩塌。由此，在安全性方面，包含这种正极活性材料的锂二次电池不适合用于EV或大容量电力存储装置中。

另外，包含具有尖晶石结构的锂锰复合氧化物的电池不适合用作需要相对高能量密度的EV的能源，这是因为所述EV的移动距离由电池的电能决定。

同时，主要将结晶性石墨用作负极活性材料，所述负极活性材料相对于标准氢电极的电位具有约-3V的非常低的放电电位，并由于石墨烯层的单轴取向而展示非常可逆的充放电行为并由此具有优异的循环寿命。

碳质活性材料的实例包含结晶石墨和无定形碳。其中，无定形碳具有优异的输出特性并同时具有低能量密度(即小于300mAh/g)，由此包含这种无定形碳的电池不适合用作EV用能源。

发明内容

技术问题

本发明的目的是解决相关领域的上述问题，并实现长期以来需要解决的技术目的。

由此，本发明的目的是提供一种锂二次电池，与使用常规无定形碳的锂二次电池相比，所述锂二次电池展示相同的输出水平并展示更高的能量密度。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供一种高能量锂二次电池，包含：正极，所述正极包含由下式1表示并具有层状结构的第一正极活性材料和由下式2表示并具有尖晶石结构的第二正极活性材料作为正极活性材料，其中基于所述正极活性材料的总重量，所述第一正极活性材料的量为40～100重量%；负极，所述负极包含具有300mAh/g以上容量的无定形碳；以及隔膜。

Li_x(Ni_vMn_wCo_yM_z)O_2-tA_t   (1)

在式1中，

0.8＜x≤1.3，0≤v≤0.9，0≤w≤0.9，0≤y≤0.9，0≤z≤0.9，x+v+w+y+z=2，且0≤t≤0.2；

M是指具有+2～+4氧化数的至少一种金属或过渡金属的阳离子；且A为单价或二价阴离子。

Li_aMn_2-bM'_bO_4-cA'_c   (2)

在式2中，0.8＜a≤1.3，0≤b≤0.5，且0≤c≤0.3；M'是指具有+2～+4氧化数的至少一种金属或过渡金属的阳离子；且A'为单价或二价阴离子。

所述无定形碳可以为选自(相对于容量)具有0.01～0.031的比表面积的第一种碳和(相对于容量)具有0.0035～0.0170的比表面积的第二种碳中的一种碳或其混合物。当组合使用所述第一种碳和第二种碳时，所述第一种碳对所述第二种碳的重量比可以为1:9～9:1。

特别地，第一种碳在1.0～1.2g/cc的粉末密度下具有15S/cm以上且小于100S/cm的粉末电导率，且第二种碳在1.4～1.6g/cc的粉末密度下具有30S/cm以上且小于100S/cm的粉末电导率。

基于第一正极活性材料和第二正极活性材料的总重量，具有式1的层状结构的第一正极活性材料与具有式2的尖晶石结构的第二正极活性材料的量可以分别为50重量%～90重量%和10重量%～50重量%。