[發明專利]磷酸錳和相關的電極活性材料

無效

• 申請號: 201080042194.1
• 申請日: 2010-09-22
• 公開（公告）號: CN102511095A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 黃海濤;耶齊德·M·賽義迪
• 申請（專利權）人: 威倫斯技術公司
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M10/0525;C01B25/45
• 代理公司: 隆天國際知識產權代理有限公司 72003
• 代理人: 吳小瑛;菅興成

技術領域

本發明要求于2009年9月24日提交的第61/245,504號美國申請的優先權。

本發明涉及使用正極活性材料的電化學電池，所述電池具有提高了的性能。具體地，本發明涉及包含磷酸鹽化合物的活性材料，所述磷酸鹽化合物含有鋰、錳和其它堿金屬、金屬和過渡金屬。

背景技術

電池是通過電化學氧化-還原反應將化學能轉化成電能的裝置。電池被用在各種各樣的用途中，尤其是作為實際上不能被集中發電電源驅動(例如通過使用輸電線的商業發電廠驅動)的裝置的電源。

電池可以被一般性地描述為包含三個組成部分：陽極，其含有在電池放電過程中(即，當其提供電能時)被氧化(產生電子)的材料；陰極，其含有在電池放電過程中被還原(接受電子)的材料；以及電解質，其提供離子在陰極和陽極之間的轉移。在放電過程中，陽極是電池的負極，且陰極是正極。電池的更具體的特征可以是形成這三個組成部分中的每一個的具體材料。選擇這些組成部分能夠得到具有特定電壓和放電特性的電池，所述特定電壓和放電特性可被優化用于具體的應用。

電池可以被一般性地分類為“一次電池”，其中電化學反應基本上是不可逆的，因此電池一旦被放電就不能再用；以及“二次電池”，其中電化學反應至少部分地是可逆的，從而電池能夠被“再充電”并使用超過一次。在很多應用中，正更多地使用二次電池，因為它們方便(尤其是在很難換電池的用途中)、成本降低(通過減少替換的需要)以及對環境有益(通過減少電池處理的廢物)。

本領域中已知有多種二次電池系統。其中，最常見的系統包括鉛-酸電池、鎳-鎘電池、鎳-鋅電池、鎳-鐵電池、氧化銀電池、鎳金屬氫化物電池、可充電鋅-錳二氧化物電池、鋅-溴化物電池、金屬-空氣電池和鋰電池。含有鋰和鈉的系統提供許多潛在的益處，因為這些金屬質輕，同時具有高的標準電位。由于多種原因，鋰電池在商業上尤其有吸引力，因為它們具有高能量密度、更高的電池電壓(cell?voltage)和長的壽命。

鋰電池由一種或多種含有電化學活性(電活性)材料的鋰電化學電池制備而成。這樣的電池包括具有金屬鋰陽極和金屬硫族化物(氧化物)陰極的電池，其通常被稱為“鋰金屬”電池。電解質通常包含溶解在一種或多種溶劑(通常為非水非質子有機溶劑)中的鋰鹽。其它電解質是固體電解質(通常為聚合基質)，其含有離子導電性(ion?conductive)介質(通常為溶解在有機溶劑中的含鋰的鹽)與聚合物(其本身可以是離子導電性的但電子絕緣的)的組合。

具有金屬鋰陽極和金屬硫族化物陰極的電池在初始條件下被充電。在放電過程中，鋰金屬在陽極處向外部電路給出電子。帶正電荷的離子被產生，其經過電解質至陰極的電化學活性(電活性)材料。來自陽極的電子經過外部電路，驅動該裝置，并回到陰極。

另一鋰電池使用“插入式陽極”，而不是鋰金屬，且通常被稱為“鋰離子”電池。插入式或“嵌入式”電極含有具有晶格結構的材料，可以將離子插入所述晶格結構中并隨后將其抽出。離子不從化學上改變嵌入材料，而是輕微地擴張化合物的內部晶格長度，而不發生大量的鍵斷裂或原子重組。插入式陽極含有例如鋰金屬硫族化物、鋰金屬氧化物或碳材料，例如焦炭和石墨。這些負電極與含鋰的插入式陰極一起使用。在它們的初始條件下，電池未被充電，因為陽極不含有陽離子源。因此，在使用前，這樣的電池必須被充電以便將陽離子(鋰)從陰極轉移至陽極。在放電期間，鋰隨后從陽極被轉移回陰極。在隨后的再充電期間，鋰再一次被轉移回陽極，并在此處再次插入。鋰離子(Li+)在充電和放電循環過程中在陽極和陰極之間的這種反復傳輸已導致這些電池被稱為“搖椅式”電池。