[發明專利]新電極材料,尤其用于可再充電鋰離子電池的新電極材料

無效

• 申請號: 201010235769.3
• 申請日: 2010-07-22
• 公開（公告）號: CN101964417A
• 公開（公告）日: 2011-02-02
• 發明（設計）人: R·耐斯珀爾
• 申請（專利權）人: 巴萊諾斯清潔能源控股公司
• 主分類號: H01M4/1397
• 分類號: H01M4/1397;H01M4/58;H01M4/136;H01M10/0525;H01M4/62
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 楊曉光;于靜

技術領域

本發明涉及用于選擇和設計新電極材料的方法、該新材料、以及包括該材料的電池，所述新電極材料特別地為陽極和陰極材料，其適用于可再充電鋰離子電池。

背景技術

鋰離子電池是具有一種最佳的能量對重量比率、沒有記憶效應并且在不使用時充電損失緩慢的最流行類型的可再充電電池中的一種。對于一些應用而言，鋰離子電池因其高能量密度而日益變得流行。

鋰離子電池的三個主要的功能部件為陽極、陰極和電解質，可以將各種材料用于所述陽極、陰極和電解質。常規鋰離子電池的負(在放電期間)電極(陽極)由碳或，更具體地，石墨構成。正(在放電期間)電極(陰極)通常由以下三種材料中的一種構成，即，諸如鋰鈷氧化物的分層的氧化物、諸如鋰鐵磷酸鹽的基于聚陰離子的材料、或諸如鋰錳氧化的尖晶石結構材料。第三功能部件(電解質)為有機溶劑中的鋰鹽。

依賴于對陽極、陰極和電解質的材料選擇，鋰離子電池的電壓、容量、壽命和安全性會極大地變化。

陽極和陰極材料都是可以使鋰移入其中和使鋰從其中移出的材料。在這里將鋰移動到陽極或陰極中的過程稱為嵌入(intercalation)，并將鋰從陽極或陰極移出的相反的過程稱為脫出(deintercalation)。當對電池放電時，鋰從陽極抽出而插入到陰極中。當對電池充電時，發生相反的過程，即，鋰從陰極抽出而插入到陽極中。

只有不僅使鋰離子移動而且通過外部電路使電子流動，才可提取有用功。因此，電子的去除和接收的容易性(ease)是相關的。

例如，反應和循環次數受到穩定化合物的產生的限制，所述穩定化合物即為在充電條件下不再是可逆的化合物，例如Li₂O。

雖然在過去幾年已經開發了新電極材料，但仍需要具有例如更高的容量和/或更多的再充電循環的更好的材料。

發明內容

因此，本發明的一般性的目的為提供一種設計和選擇用于陽極和/或陰極的電極材料的方法。

現在，為了實現這些目的和本發明的其他目的(其將隨著描述的深入而變得更清楚)，通過包括以下步驟的特征來描述本發明的方法：

A)選擇基礎半導體材料，所述基礎半導體材料選自氮化物、碳化物、硼化物、砷化物、銻化物、硫化物、磷化物、氧化物、氫化物、及其組合，所述基礎半導體材料包含至少兩種不同的元素，所述至少兩種不同的元素具有至少1.5的電負性并處于穩定態，優選分別處于其最高(最正性)氧化態和其最高(最負性)還原態；

B)從在A)中提供的所述材料中選擇這樣的材料，該材料的晶體結構允許以低的變形功(deformation?work)嵌入/脫出Li離子；

C)從在A)中提供的所述基礎半導體材料中選擇具有在價帶與導帶之間的大的能隙或帶隙ΔE的材料；

D)選擇或設計在充電時釋放鋰的含鋰活性電極材料和/或在充電時吸收鋰的活性電極材料，所述活性電極材料基于A)中的所述基礎半導體材料；以及

E)通過相對于彼此地權衡B)和C)的標準，從D)的材料中選擇具有改善的特征的活性電極材料，

其中B)到D)的順序是任意的。

本發明的另一目的為提供合適的電極材料。

本發明的再一目的為提供包括通過本發明的方法可獲得的至少一個電極，優選兩個電極(優選地基于相同的基礎材料)的電池(或至少其原電池(galvanic?element))。

出乎意料地，發明人發現可以預測電極材料的質量，并且，如果優化特定的標準(例如，應用本發明的包括步驟A)到E)的方法)，可以設計電極材料。

步驟A)包括選擇基礎半導體材料，所述基礎半導體材料選自氮化物、碳化物、硼化物、砷化物、銻化物、硫化物、磷化物、氧化物、氫化物、及其組合，但是主要選自氮化物、碳化物、硼化物、磷化物、及其組合，例如，氮化物、碳化物、硼化物、及其組合，所述基礎半導體材料包含至少兩種不同的元素，所述至少兩種不同的元素具有至少1.5的電負性并處于穩定態(例如，V^+III)，優選分別處于其最高(最正性)的氧化態和(最負性)的還原態。

步驟B包括從在步驟A中提供的材料中選擇這樣的材料，該材料具有允許以盡可能低的變形功嵌入/脫出Li離子的晶體結構。例如，這樣的材料為具有在其晶格中的饋通(feedthrough)(Gitterliicke)和/或大的晶面間距的材料。