[发明专利]锂离子电池

说明书

本专利申请根据美国法典第35篇119条(e)项要求提交于2011年9月02日的美国临时申请61／530,545和提交于2012年6月01日的美国临时申请61／654，184的优先权，出于各种目的这些临时申请均以引用方式全文并入本文。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域。更具体地，本发明涉及包含尖晶石阴极和非水电解质的锂离子电池。

背景技术

就混合动力电动汽车(HEV)和插电式混合动力电动汽车(PHEV)的应用而言，锂离子电池已十分活跃。4V尖晶石LiMn₂O₄和3.4V橄榄石LiFePO₄阴极两者均已在这方面引起广泛关注，因为Mn和Fe是廉价的并且是环境友好的。另外，与层状氧化物阴极相比，这些阴极提供更高的倍率特性和更好的安全性。然而，LiMn₂O₄和LiFePO₄阴极两者均由于其低容量或操作电压而具有有限的能量密度。一种改善能量和功率密度的方式是增加操作电压。在这方面，5V尖晶石阴极LiMn_1.5Ni_0.5O₄已引起了更多关注，这是由于接近5V的几乎平坦的操作电压和由Ni^2+／3+和Ni^3+/4+氧化还原对的操作所产生的可令人接受的容量。

然而，LiMn_1.5Ni_0.5O₄阴极的特征可在于在常规碳酸盐电解质中的次最佳循环性能，并且这可能是由于循环期间的大晶格应变，这涉及在充-放电过程中形成具有大晶格参数差的三个立方体相。其它次最佳循环参数的有利因素可包括Li_xNi_1-xO杂质，和在大约5V的高操作电压下在阴极表面和碳酸盐电解质之间的腐蚀反应。

已提出由其它元素诸如Li、A1、Mg、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、Zn和Mo部分取代LiMn_1.5Ni_0.5O₄中的Mn和Ni来改善循环性，如美国专利6，337，158(Nakajima)；和Liu等人，J.Phys.Chem.C13：15073-15079，2009中所讨论的。尽管循环性能的改善可通过部分阳离子取代而在常规碳酸盐电解质中在室温下实现，但是高温循环性能仍然是一个问题，这是由于传统碳酸盐电解质的固有不稳定性和在升高的温度下加快的分解反应。

美国专利申请公布2010／0035162(Chiga)描述了用于二次电池中的非水电解质，其包含由式CH₃COOCH₂CH_3-xF_x表示的链状氟代碳酸酯，其中x为2或3，以及成膜化学物质，所述成膜化学物质基于金属锂和锂离子之间的平衡电势，在+1.0至3.0V的范围内分解。该电解质在用于二次电池的各种实施例中，所述二次电池设有充电截止电压为4.2V的锂过渡金属氧化物阴极。

尽管如上所述在本领域中的努力，但是仍然需要锂离子电池，其在高电压(即至多约5V)下操作并改善高温下的循环性能。

发明内容

在一个实施例中，本文提供了锂离子电池，其包含：

(a)外壳；

(b)设置在外壳中并且彼此存在导电性联系的阳极和阴极，其中所述阴极为锰阴极，所述锰阴极包含具有尖晶石结构的含锂的锰复合氧化物作为活性材料，所述含锂的锰复合氧化物由下式表示：

Li_zMn_1.5Ni_xM_yO_4-d，其中M为选自下列的至少一种金属：A1、Cr、Fe、Ga、Zn、Co、Nb、Mo、Ti、Zr、Mg、V和Cu，并且0.38≤x<0.5，0<v≤0.12，0≤d≤0.3，0.00<z≤1.1，并且z根据充放电期间锂离子和电子的释放和摄取而变化；

(c)设置在外壳中并且在阳极和阴极之间提供离子导电通路的非水电解质组合物，其中所述非水电解质组合物包含至少一种电解质盐和至少一种氟化无环羧酸酯和／或至少一种氟化无环碳酸酯；和

(d)位于阳极和阴极之间的多孔隔板。

在另一个实施例中，本文提供了锂离子电池，其包含：

(a)外壳；