[发明专利]化合物

说明书

一种通式化合物，其中x等于或大于0.175且等于或小于0.325，并且y等于或大于0.05且等于或小于0.35。在另一个实施方式中，x等于零，并且y大于0.12且等于或小于0.4。所述化合物还被配制成在电化学电池中使用的正极。

本发明涉及一组电活性正极化合物。更具体地，本发明涉及一组高容量富锂MC化合物。

常规的锂离子电池(battery)因用于制成正极(positive electrode，cathode)的材料的容量而在性能方面受限。包含镍锰钴氧化物的共混物的正极材料的富锂共混物在安全性和能量密度之间存在折衷。认识到，电荷储存在这样的正极材料内的过渡金属阳离子中。已经建议，如果电荷可储存在阴离子(例如氧)上，则能显著地提升正极材料的容量和由此的能量密度，减少对这样大量的过渡金属重离子的需要。然而，提供如下材料的挑战依旧存在：其可依赖于阴离子和阳离子两者的氧化还原化学性来储存电荷，并且经受住充电/放电循环，而不损害该材料的安全性或造成会使该材料分解的不期望的氧化还原反应。

在第一方面中，本发明提供如下通式的化合物：

其中x具有等于或大于0.175且等于或小于0.325的值；和，y具有等于或大于0.05且等于或小于0.35的值。

在第二方面中，本发明提供如下通式的化合物：

其中y具有等于或大于0.12且等于或小于0.4的值。

已经发现，可通过如下实现容量改善的化合物：减少过量的锂量，并且增加钴和/或镍的量。如上定义的特定化合物因钴和/或镍的氧化程度并还因晶格内氧根离子(oxideion)的氧化而展现在容量方面的大幅增加。在不希望局限于理论的情况下，认识到，特定量的钴和/或镍取代(替换)的存在实现氧的氧化还原活性，并且因此改善该材料的电化学容量。

另外，当与现有技术的过渡金属取代的NMC富锂材料相比时，本发明的化合物在电化学循环期间展现改善的稳定性。分子氧的放出(evolution)普遍存在于如下的富锂材料第三行过渡金属氧化物(Li_1+xM_1-xO₂，其中M为Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn)：其中锂已经被过渡金属离子的一些所交换。这些材料通常依赖于氧的氧化还原来改善它们的电荷容量(charge capacity)性质。均质材料可遭受分子氧在循环期间因氧根阴离子的氧化还原而从晶体结构逃逸。进而，这使该材料的容量和可用寿命缩减。

认识到，当由锂离子的移出(removal)导致的电荷不平衡因电子从氧阴离子移出而平衡时，所得的氧阴离子是不稳定的，这导致在充电循环期间不期望的氧化还原反应和分子氧气的放出。在不希望局限于理论的情况下，认识到，所述材料中相对于锂含量特定的钴和/或镍含量避免晶格内的欠键合(under-bonding)，使得各氧阴离子仍键合到～3个阳离子。本发明的化学途径使用特定量的过渡金属调节晶格结构，其改善所述材料的容量并且提高所述材料的经过若干充电/放电循环的稳定性。

在实例中，x为0。也就是说，所述化合物的镍含量实际上为零。y(即钴含量)大于0.12。在一种甚至更具体的实例中，y可等于或大于0.2。已经证明，当y为等于或大于0.2时，显著改善所述材料的容量。另外，y可等于或小于0.4。认识到，高于该阈值，所述材料的容量下降到预期值。已经证明，当y为0.3时实现改善的容量。更特别地，y的值可以说是大于0.2且等于或小于0.4。更特别地，y的值可以说是大于0.2且等于或小于0.3。在两个具体实例中，y可等于0.2或0.3。当x为零时，x+y的值(即，y的值)可以说是0.2或0.3。