[发明专利]高电压正极活性材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高电压正极活性材料及其制备方法，并且更特别地，涉及一种正极活性材料及其制备方法，其中所述正极活性材料包含具有由式(1)表示的组成的尖晶石型化合物的粒子和存在于所述尖晶石型化合物的粒子的表面上的碳基材料：

Li_1+a M_xMn_2-xO_4-zA_z   (1)

其中a，x和z如详细说明书中所限定。

背景技术

伴随信息技术(IT)的重大进步，各种移动信息通信装置已经被广泛使用并且二十一世纪标志着其中在任何地方和任何时间都可以获得高品质信息服务的泛在社会的开端。

锂二次电池在这种泛在社会的演变中起着重要作用。

与其他二次电池相比，锂二次电池具有高工作电压和能量密度并且可以长时间使用，由此满足对于种类不断增加的复杂装置的需要的复杂需求。

近来，已经在全世界进行了许多尝试以发展现有的锂二次电池技术，从而不仅将它们的应用延伸至环境友好的运输系统如电动车辆，而且延伸至电力储存。

用于中型或大型电源如电动车辆或电力储存系统(或者能量储存系统(ESS))的二次电池需要高功率、高能量密度和高能量效率。尽管具有诸如低价格和高功率的优点，但是LiMn₂O₄具有如下缺点：其能量密度低于锂钴氧化物的能量密度。

发明内容

技术问题

尽管开发了其中锰(Mn)被金属如镍(Ni)部分置换而提高具有4V范围内工作电压(约3.7V至约4.5V)的LiMn₂O₄的低能量密度的LiMn₂O₄化合物，但是本发明人发现，由于锰被金属如镍部分置换的LiMn₂O₄化合物具有4.6V以上的高工作电压，所以即使当电池处于正常工作范围中时电解质也分解并且其性能因所述化合物与电解质的副反应而下降。本发明人还发现，Mn离子遭受溶出。具有4V范围内工作电压的LiMn₂O₄不遭受该问题。

因此，进行了本发明以解决上述问题，并且本发明的目的是提供一种用于5V范围内的高电压的正极活性材料及其制备方法。

技术方案

根据本发明，可以通过如下实现上述和其他目的：提供一种正极活性材料，其包含具有由式(1)表示的组成的尖晶石型化合物的粒子和存在于所述尖晶石型化合物的粒子的表面上的碳基材料：

Li_1+a M_xMn_2-xO_4-zA_z   (1)

其中M为选自如下的至少一种：Ni、Ti、Co、Al、Cu、Fe、Mg、B、Cr、Zr、Zn和第II周期过渡金属，

A为一价阴离子或二价阴离子，以及

-0.1≤a≤0.1，0.3≤x≤0.8且0≤z≤0.1。

式(1)的尖晶石型化合物与LiMn₂O₄的不同之处在于，式(1)的尖晶石型化合物具有等于或高于4.6V且等于或小于4.9V的工作电压，而LiMn₂O₄具有4V范围内的工作电压(约3.7V至约4.3V)。因为式(1)的尖晶石型化合物具有等于或高于4.6V且等于或小于4.9V的工作电压，所以与LiMn₂O₄相比，式(1)的尖晶石型化合物显示高能量密度特性。

碳基材料可以覆盖尖晶石型化合物的粒子的表面的全部或一部分。具体地，碳基材料可以覆盖尖晶石型化合物的粒子的整个表面的等于或大于20％且等于或小于100％。在非限制性实施方式中，碳基材料可以覆盖尖晶石型化合物的粒子的整个表面的等于或大于50％且等于或小于80％。由此，由于覆盖有碳基材料的尖晶石型化合物的粒子部分的表面能的变化而抑制了锰的溶出。

碳基材料可以充当保护层以抑制与电解质的反应。保护层可以在高电压下充放电时阻挡电解质和式(1)的化合物之间的直接接触，从而抑制电解质的副反应。结果，根据本发明的正极活性材料可显示稳定的充放电循环特性，从而提高可逆的充放电容量。

另外，由于碳基材料具有高电导率，所以碳基材料降低了由式(1)表示的尖晶石型化合物的界面电阻，从而提高输出(或功率)特性。