[发明专利]用于能够再充电锂离子蓄电池的正电极材料

说明书

本发明提供了一种用于锂离子蓄电池的正电极活性材料，所述正电极活性材料包含基于锂过渡金属的氧化物粉末，所述粉末包含含有Ni和Co并且具有通式Li_1+a((Ni_z(Ni_1/2Mn_1/2)_y Co_x)_1‑kAk)_1‑a 02的单晶单一颗粒，其中A为掺杂剂，‑0.02a≤0.06，0.10≤x≤0.35，0≤z≤0.90，x+y+z＝1且k≤0.01，所述颗粒具有钴浓度梯度，其中所述颗粒表面的Co含量高于所述颗粒中心。

技术领域和背景技术

本发明涉及一种具有单一形态的锂过渡金属氧化物材料，它可用作能够再充电锂离子蓄电池的正电极材料。更具体地，该材料具有从表面到芯的钴浓度梯度。该正电极材料增强了蓄电池性能，诸如容量、循环稳定性和倍率性能。此外，由于其特殊的形态，该材料可在高电压下用于固态锂离子蓄电池或非水锂离子蓄电池中。

能够再充电锂离子蓄电池(LIB)由于其高体积和重量能量密度以及长循环寿命，目前被用于膝上型电脑、移动电话、相机和多种其它电子设备。此外，为了满足对用于电动车辆(EV)和混合电动车辆(HEV)的大型蓄电池的需求，需要更高能量密度的蓄电池。增加蓄电池能量密度的一种方式是施加更高的工作电压。然而，常规锂离子蓄电池中使用的有机液体电解质在高电压下循环期间分解并形成副产物。除稳定性问题外，电解质还包含易燃溶剂，在高充电水平下可能会引起热失控。因此，可能发生严重的安全问题，诸如电解质渗漏的可能性高、过热和燃烧。考虑到未来的EV和HEV应用，安全是首要考虑的因素之一。

固体电解质取代易燃的液体有机电解质，打开了固态蓄电池(SSB)的领域。固体电解质不仅带来高安全性，而且可以预期它具有出色的循环稳定性。这些特性使固体电解质对于高电压应用也具有吸引力。以前，SSB技术由薄膜蓄电池技术驱动以用于便携式应用。一般来讲，优选使用层状氧化物材料作为正电极材料，尤其是LiCoO₂(LCO)，例如用于薄膜蓄电池。LCO具有足够高的理论容量和良好的热稳定性。然而，由于资源短缺引起钴(Co)的高价格和环境问题，因此开发了具有稳定的2D层结构和高理论容量的新正电极材料。使用LCO作为起点，通过金属取代，即用其它过渡金属代替Co，通过调节三层氧化物材料Li_1+aM_1-aO₂的组成发现了LiNi_xMn_yCo_ZO₂(NMC)和LiNi_xCo_zAl_yO₂(NCA)，其中M为镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)或铝(Al)的混合物，a通常接近零。这些材料之所以受欢迎，是因为Ni、Mn、Co和Al的组合基于Ni提供了高容量而Mn提供了良好的循环性能这一事实而具有优势。此外，Co支撑着NMC的层状晶体结构，因此Li离子可以快速传输。Al掺杂也已知是改善安全性的一种方式。