[发明专利]阴极材料和方法

说明书

本发明涉及一种经表面改性的颗粒状锂镍氧化物材料。本发明还涉及一种制备经表面改性的颗粒状锂镍氧化物材料的方法。本发明的其他方面包括包含所述经表面改性的颗粒状锂镍氧化物材料的阴极、包括这种阴极的锂二次电池或电池组以及所述颗粒状锂镍氧化物在改善锂二次电池或电池组的容量保持率中的用途。

技术领域

本发明涉及可用作锂二次电池组中的阴极材料的改善的颗粒状锂镍氧化物材料。本发明还提供了制备这种锂镍氧化物材料的方法，以及包含所述材料的电极和电池。

背景技术

具有式LiMO₂的锂过渡金属氧化物材料可用作锂离子电池组中的阴极材料，其中M通常包括一种或多种过渡金属。实例包括LiNiO₂和LiCoO₂。

US 6921609 B2描述了适合用作锂电池组的阴极材料的组合物，所述组合物包括具有经验式Li_xM’_zNi_1-yM”_yO₂的芯组合物和具有比芯更大的Co与Ni比率的芯上的涂层。

WO 2013/025328 A1描述了包括多个微晶的颗粒，所述微晶包括具有层状α-NaFeO₂型结构的第一组合物。颗粒包括相邻微晶之间的晶界，并且晶界中的钴浓度大于微晶中的钴浓度。钴富集通过用LiNO₃和Co(NO₃)₂的溶液处理颗粒，然后进行喷雾干燥和煅烧来实现。

LiNO₂和类似的材料的研究显示，在高电压下发生的脱锂期间(约4.2V与Li⁺/Li)，即当材料具有显著降低的锂含量时，存在从一个六方相(H2)至另一个六方相(H3)的相变。这种相变伴随着由c轴收缩引起的晶胞体积的突然大幅减小。这种c轴收缩导致材料的永久性结构损坏，这与循环时的容量衰减有关。

随着高端应用诸如电动车辆(EV)对锂离子电池组的需求增加，必须使用不仅提供可接受的比容量，而且还能在大量充电循环中极好地保持该容量的阴极材料，以使得车辆在其寿命内每次充电后的续航里程尽可能保持一致。容量保持率通常也简称为电池组的“循环性能”。

所以，仍然需要改善的锂过渡金属氧化物材料以及它们的制造方法。具体而言，当锂过渡金属氧化物材料用作锂二次电池组中的阴极材料时，仍然需要改善它们的容量保持率。

发明内容

本发明人已经发现，在锂镍氧化物材料中存在一定水平的作为掺杂剂的镁和作为表面改性剂的铝会使得当这些材料用作锂二次电池组中的阴极材料时具有改善的容量保持率。

不希望受理论的束缚，本发明人认为，将一定水平的镁掺杂至LiNiO₂型材料中可赋予材料以结构稳定性，从而减少H2→H3相变期间的c轴收缩。据信，当材料的Li含量变低时，晶体内的MO₂层和Li层之间的中间位置处的四面体位点被镁离子占据，产生“支柱效应”，这稳定了结构并且减少了H2→H3相变期间发生的c轴收缩，从而减少c轴收缩并且有助于由此观察到的容量保持率增加。

此外，本发明人已经发现，除镁掺杂之外，作为表面改性剂的铝的存在提供了容量保持率的进一步改善。

特别有利的是，本发明人已经发现，在锂镍氧化物材料中存在一定水平的作为掺杂剂的镁和作为表面改性剂的铝能够减少材料中的钴的水平，同时保持极好的容量保持率。减少阴极材料中的钴的量在行业中是非常期望的，因为钴可能是材料成本的重要促成因素(归因于其较高相对成本和历史价格波动)，以及因为出于伦理原因减少钴含量可能是优选的。通常，钴含量减少会导致容量保持率减少，因此提供具有可接受的性能特征和低钴水平的电池组材料一直具有挑战性。

因此，本发明的第一方面是一种具有式I的经表面改性的颗粒状锂镍氧化物材料