[发明专利]用于电化学电池的电活性材料

说明书

发明领域

本发明涉及用于电化学装置中使用的钛酸锂氧化物电活性材料的涂层，其抑制了气体产生，例如氟化物基涂层，制造这样的涂层的方法及其使用方法。

发明背景

高能量密度电化学电池例如锂离子电池组可以用于各种消费产品和车辆中。典型的锂离子电池组包含第一电极如阴极、第二电极如阳极、电解质材料和隔膜。往往，一堆锂离子电池组单元(battery cell)被电连接在一起，来提高整体输出。常规锂离子电池组通过将锂离子可逆地在负极和正极之间输送来运行。隔膜和电解质位于负极和正极之间。该电解质适于传导锂离子并可以呈固体或液体形式。锂离子在电池组充电过程中从阴极(正极)移动到阳极(负极)，和在电池组放电时反向移动。堆中的每个负和正极都连接到集流器(通常是金属，例如对于阳极为铜，对于阴极为铝)。在电池组使用过程中，与两个电极有关的集流器通过外部电路连接，其允许由电子产生的电流在电极之间传输，以补偿锂离子的传输。

许多不同的材料可以用于产生锂离子电池组的这些部件。作为非限定性的例子，用于锂电池组的阴极材料典型的包含电活性材料，其可以嵌入有锂离子，例如尖晶石类型的锂-过渡金属氧化物或混合氧化物，例如LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiNi(1-x-y)CoxMyO2(其中0<x<1，y<1，和M可以是Al、Mn等)，或磷酸锂铁。该电解质典型地包含一种或多种锂盐，其可以溶解和离子化在非水溶剂中。负极典型地包含锂嵌入材料或合金基质材料。用于形成阳极的典型的电活性材料包括锂-石墨嵌入化合物，锂-硅嵌入化合物，锂合金和钛酸锂Li4+xTi5O12，其中0≤x≤3，如Li4Ti5O12(LTO)，其可以是纳米结构化的LTO。阳极和阴极材料与电解质的接触可以在电极之间产生电势。当在电极之间的外部电路中产生电子流时，通过电池组的电池内的电化学反应来保持该电势。

LTO是特别令人期望的负极电池组。许多Li离子电池组会遭受容量衰减，它是由许多因素导致的，包括在负极(阳极)表面上形成被称作固体电解质界面(SEI)层的钝化膜(其往往是由阳极材料的反应产物产生的)、电解质还原和/或锂离子还原。该SEI层形成在决定电极行为和性能中起到了重要作用，包括循环寿命、不可逆的容量损失、高电流效率和高倍率性能，特别有利地用于动力电池组和起停电池组应用。LTO理想地具有某些优势，如高截止电压(例如，相对于锂金属参比电势的截止电势)，其理想地使得SEI形成最小化或避免之，此外LTO是在锂嵌入和取出过程中具有最小的体积变化的零应变材料，由此赋予了长期循环稳定性、高电流效率和高倍率性能。这样的长期循环稳定性、高电流效率和高倍率性能对于动力电池组和起停式电池组应用来说是特别有利的。

但是，虽然LTO是用于高功率锂离子电池组的有前景的阳极材料，提供了极长的寿命和对于过度充电和过滥用有异常的耐受性，但是在某些情形下，当与某些阴极材料和电解质一起使用时，LTO会潜在地具有某些缺点。例如已经观察到在电池组单元中，Li4+xTi5O12能够产生显著量的气体，其主要由氢气组成，特别是在充电状态下的高温条件时更是如此。这样的气体形成会使得它成为对于商业应用来说不期望的选择。对于安全和成功使用来说，令人期望的是改进LTO阳极材料来抑制气体形成，同时使用LTO材料提供具有持久的高容量、高放电率和长寿命的持久电池组的令人期望的方面。

发明内容

这个部分提供了对本发明的概述，但不是本发明的全部范围或其所有特征的全方位公开。在各个方面，本发明提供一种用于电化学电池的电活性材料。在某些方面，该电活性材料包含Li(4+x)Ti₅O₁₂，其中1≤x≤2(LTO)和具有形成在其上的厚度小于或等于大约30nm的表面涂层，该涂层抑制了该电化学电池之内的气体形成。更具体地，LTO上的该表面涂层抑制了气体的形成，这些气体被认为是经由电化学电池中的电解质与LTO表面上的官能团，如–OH基团，之间的副反应形成的。

在其他方面，本发明提供了一种制造用于电化学电池的电活性材料的方法，其包括经由非含水方法将表面涂层施加到：Li(4+x)Ti₅O₁₂，其中1≤x≤2(LTO)；和形成在其上的厚度小于或等于约20nm的表面涂层，所述涂层抑制了所述电化学电池之内的气体形成。这样的非含水方法可以包括原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)或非水湿化学法。通过这样的方法形成的表面涂层的厚度小于或等于大约30nm，并且能够抑制电化学电池之内的气体形成。