[發(fā)明專利]用于鋰電池的高倍率和高能量的陰極材料

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• 申請日: 2012-09-08
• 公開（公告）號(hào): CN103022455A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: E·恩澤貝;J·迪恩;M·德斯蒂芬;U·賈納基拉曼;G·米勒;M·Q·楊
• 申請（專利權(quán)）人: 伊格皮切爾科技有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): H01M4/48
• 分類號(hào): H01M4/48;H01M10/0525
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 趙蘇林;楊思捷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一般涉及適用于非水電化學(xué)電池的陰極材料，其包含銅錳釩氧化物以及任選的氟化碳。本發(fā)明還涉及包含這種陰極材料的非水電化學(xué)電池且還涉及包括鋰陽極的這種非水電化學(xué)電池。

背景技術(shù)

鋰電化學(xué)電池，更普遍地稱為電池(組)，廣泛用于各種軍用和民用產(chǎn)品。這些產(chǎn)品中許多是使用高能和高功率電池。部分由于便攜電子設(shè)備的小型化，期望開發(fā)具有增加的功率容量和使用壽命的更小的鋰電池。開發(fā)具有增加的功率容量的更小的電池的一種途徑是開發(fā)更高能(量)的陰極材料。

高能陰極材料的一個(gè)例子是氟化碳(即，CF_x)。CF_x常常與鋰陽極一起用于軍用設(shè)備和可植入醫(yī)療設(shè)備等的不可再充電的(原)電池。CF_x(其中x＝1.0)具有約860mAh/g的比能量。高能陰極材料的其他例子包括銀釩氧化物和二氧化錳，它們分別具有約315和308mAh/g的比能量。

可再充電(二次)電池，例如鋰離子電池，的陰極相比原電池的陰極一般具有更低的能量存儲(chǔ)容量。然而，二次電池通常可充電幾百次，這顯著地降低了壽命成本和電池處理成本。用于鋰離子電池的二次電池陰極的例子包括鋰鈷氧化物、磷酸鐵鋰和鋰鎳鈷氧化物。

為了滿足對于更持久的和/或更小型的電池的需求，仍然需要表現(xiàn)出像原電池一樣更高的能量、具有像二次電池一樣的部分或全部可充電容量的陰極，從而延長電池壽命并有效降低整體成本。已提出混合陰極材料作為實(shí)現(xiàn)這種改進(jìn)的原和/或二次電池的一種可能方法。混合陰極材料的其它優(yōu)點(diǎn)包括提高陰極的倍率性能和/或穩(wěn)定性，同時(shí)保持單位重量和/或體積的能量密度。實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)點(diǎn)的方法通常包括混合具有高倍率性能的陰極材料和高能密度的陰極材料。

美國專利No.7,476,467公開了一種二次鋰電池的陰極材料。該陰極活性材料包括(A)具有尖晶石結(jié)構(gòu)的鋰錳-金屬復(fù)合氧化物與(B)具有層狀結(jié)構(gòu)的鋰鎳-錳-鈷復(fù)合氧化物的混合物。由于改善的鋰和金屬氧化物的性能，所述的陰極活性材料據(jù)說在室溫和高溫下均具有出眾的安全性和長期使用壽命。

如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，使用包含氟化碳和某些金屬氧化物的復(fù)合陰極來提供具有降低的電壓延遲、改善的倍率性能和低溫性能的電池。例如，美國專利No.5,667,916描述了具有CF_x與其它材料或其它材料混合物的陰極混合物的電池，該其它材料包括例如氧化銅。同樣，美國專利No.5,180,642公開了具有陰極混合物的電化學(xué)電池或電池組，該陰極混合物包含二氧化錳(MnO₂)、一氟化碳(CF_x，其中x＝1)或這兩者的混合物、以及選自釩氧化物、釩酸銀、氟化鉍和硫化鈦的其它添加劑。

已公知銅釩氧化物電極一般用于鋰電池。例如，美國專利No.4,310,609公開了采用一種電化學(xué)電池，其具有由與第IB、IIB、IIIB、IVB、VB、VIB、VIIB或VIIIB族金屬如銅氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的釩氧化物組成的復(fù)合氧化物基底作為正極。美國專利No.5,670,276描述了具有銅銀釩氧化物陰極的非水電化學(xué)電池，其中銅銀釩氧化物由釩氧化物與硝酸銅和氧化銀，或氧化銅和硝酸銀結(jié)合制得。

盡管美國專利No.4,310,609和No.5,670,276中描述的電極材料的能量密度與某些活性材料如氧化錳相比得到改善，但仍然非常需要提高鋰電池和電池組的銅-釩氧化物基電極，特別是與具有高能密度材料如CF_x結(jié)合使用的銅-釩氧化物基電極，的電化學(xué)性能和使用壽命。現(xiàn)在我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過利用簡單且環(huán)境友好的化學(xué)合成，錳、銅和釩可以結(jié)合形成具有增加的容量和所需放電曲線的混合氧化物電極。

發(fā)明內(nèi)容

一方面涉及非水電化學(xué)電池。該電池包括：(i)陽極；(ii)包含銅錳釩氧化物的陰極；(iii)設(shè)置在陽極和陰極之間的分隔物；以及(iv)與陽極、陰極和分隔物流體接觸的非水電解質(zhì)。

另一方面涉及非水電化學(xué)電池，其中所述銅錳釩氧化物具有通式Cu_xMn_yV_zO_w，以及(i)其中銅具有約1到約3的氧化態(tài)；(ii)其中錳具有約2到約7的氧化態(tài)；(iii)其中釩具有約2到約5的氧化態(tài)；(iv)x、y和z各自具有大于或等于零的值；(v)x+y+z的總數(shù)為約1到約3，以及(vi)w具有大于零的值，該值可以實(shí)驗(yàn)確定并且與x、y和z的值以及銅、錳和釩的氧化態(tài)相一致。

另一方面涉及一種前述的非水電化學(xué)電池，其中所述陰極材料還包含氟化碳。