[发明专利]用于锂电池的电极材料

说明书

将钽取代到单斜磷酸铌的晶格中导致了改进的可逆性、近似0％的不可逆损失、以及在大晶粒材料中的相似的优异的20C高倍率行为而无需形成电子传导纳米复合材料。钽取代到五磷酸铌中使能够稳定改进制造单斜磷酸铌相的困难。此类钽‑取代的磷酸铌对于用作锂电池或锂离子电池中的电极示出了优异的潜力。

相关申请的交叉引用

本申请要求美国临时专利申请号62/263,993的权益，该临时专利申请的申请日为2015年12月7日并且通过引用以其整体结合在此。

政府资助声明

本文披露的发明是在政府支持下根据来自美国政府的合同进行的。美国政府享有本发明的某些权利。

技术领域

本发明总体上涉及电化学电池单元及其制造方法。更确切地说，本发明涉及一种取代的磷酸铌材料，该材料适合用作锂电池或锂离子电池的电极。

背景技术

对更持久电池供电装置如便携式电子器件和电动车辆的需求的增加产生了对提供更高能量和功率密度的储能技术的需要。锂离子电池(最早由索尼公司(Sony)在1991年商品化)的相对缓慢的进展表明了对满足消费者需求和期望的新电极材料的需要。在过去几十年中，由于若干固有优势，含有磷酸基(PO4)的嵌入材料已经获得关注。该PO4基团的稳健结构提供了允许长期循环以及高离子扩散速率的开放式3D网络。该PO₄基团的固有稳定性来源于磷-氧共价键的四面体配位，这些磷-氧共价键产生了若干希望的特性，包括耐热降解性和耐过充电性。最众所周知的磷酸盐，磷铁锂矿LiFePO₄，在1997年首次被引入。这种类型LiMPO₄(M＝Co、Cu、Fe、Mn、Ni)的磷酸化橄榄石(phospholivine)是廉价的、环境友好的、但低能量的阴极材料，该阴极材料需要各种导电添加剂以使得实现异常地高的功率。在此开创性工作之后，对用于锂电池中的正电极和负电极的磷酸盐嵌入化合物存在极大关注。还对金属磷酸盐作为模型嵌入材料进行了研究以促进对固有反应机理和局限性的理解，以阐明针对改进的电池技术的新途径。

发明内容

在本发明的实施例中，组合物包含具有式M_xNb_(1-x)PO₅的取代的磷酸铌，其中M是一种或多种过渡金属。在实施例中，这些过渡金属的每一种是来自第5族和第6族中的一种。在实施例中，该一种或多种过渡金属包含钽。在实施例中，该一种或多种过渡金属取代了高达20％的铌(即，x≤0.20)。在实施例中，该一种或多种过渡金属取代了高达10％的铌(即，x≤0.10)。在实施例中，该一种或多种过渡金属取代了高达5％的铌(即，x≤0.05)。在实施例中，该一种或多种过渡金属取代了高达2％的铌(即，x≤0.02)。在实施例中，该一种或多种过渡金属取代了高达1％的铌(即，x≤0.01)。

在实施例中，该取代的磷酸铌主要呈单斜晶体形式。在实施例中，至少80％的该取代的磷酸铌是呈单斜晶体形式。在实施例中，至少90％的该取代的磷酸铌是呈单斜晶体形式。在实施例中，至少95％的该取代的磷酸铌是呈单斜晶体形式。在实施例中，该取代的磷酸铌基本上由其单斜晶体形式组成。在实施例中，该取代的磷酸铌具有晶体结构，该晶体结构具有的晶格参数为并且β角＝120.7°(+/-1°)。在实施例中，该取代的磷酸铌基本上不含非晶态物质。

在实施例中，该取代的磷酸铌存在于锂电池的电极中。在实施例中，该取代的磷酸铌存在于锂离子电池的电极中。在实施例中，该取代的磷酸铌存在于锂电池中的正电极中。在实施例中，该取代的磷酸铌存在于锂电池中的负电极中。

附图说明

为了更全面地理解本发明，参考以下结合附图考虑的示例性实施例的详细描述，在这些附图中遍及若干视图类似的结构通过类似的数字提及，并且其中：