[發明專利]具有摻混陰極活性材料的非水二次電池

有效

• 申請號: 201310052070.7
• 申請日: 2013-02-17
• 公開（公告）號: CN103258998A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發明（設計）人: C·皮特羅德
• 申請（專利權）人: 巴萊諾斯清潔能源控股公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M10/0525
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 彭飛;林柏楠

技術領域

本發明涉及電活性或電化學活性材料（EAM）、包含該材料的陰極和包含這種陰極的可充電電池。

背景技術

鋰離子電池是最流行的可充電電池類型之一，具有下述特征之一：最佳的能量/重量比、無記憶效應、并在不用時具有緩慢電荷損耗。由于它們的高能量密度，鋰離子電池在許多用途中越來越流行。這樣的用途包括手機、筆記本電腦和車輛，例如電動自行車和轎車。

鋰離子電池的三個主要功能部件是陽極（放電過程中的負電極），其含有在電池放電過程中被氧化的材料；陰極，其含有在電池放電過程中被還原的材料；和在陰極與陽極之間提供離子轉移的電解質。對所有三個功能部件而言，可以使用各種材料。

一種類型的鋰電池使用“插入”陰極和陽極。這種電池被稱作“鋰離子”電池。陽極和陰極都是鋰可遷入和遷出的材料。鋰遷入陽極或陰極的過程通常被稱作嵌入，相反過程——其中鋰遷出陽極或陰極——可以被稱作脫嵌。當電池放電時，鋰從陽極遷出并插入陰極中。當電池充電時，發生相反過程，即鋰從陰極遷出并插入陽極中。因此，插入或“嵌入”電極含有具有晶格結構的材料，離子可插入所述晶格結構中并然后遷出。沒有在化學上改變所述嵌入材料，離子使化合物的內晶格長度輕微膨脹而沒有大量鍵斷裂或原子重組。

傳統的商業鋰離子電池的插入陽極由碳制成，或更確切地說由石墨制成，但是其它陽極材料也是已知的，例如鋰硫族化物，例如氧化鋰，和/或正在研究中。

多種材料已被提出用作適合多次嵌脫循環的鋰離子電池的嵌入陰極中的陰極活性材料。這樣的材料包括例如MoS₂、MnO₂、TiS₂、NbSe₃、LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、V₆O₁₃、V₂O₅、CuCl₂，過渡金屬氧化物，例如通式Li_xM₂O_y的那些，屬于在具有嵌入電極的這類電池中優選的材料。其它材料包括鋰過渡金屬磷酸鹽，例如LiFePO₄和Li₃V₂(PO₄)₃。

在充電過程中，鋰從陰極轉移至陽極，在此嵌入，而在放電過程中，鋰從陽極轉移至陰極，在此嵌入。鋰離子（Li⁺）在充電和放電循環過程中在陽極與陰極之間的這種來回轉移使得這些電池被稱作“搖椅”電池。

第三功能部件——電解質是在有機、通常非質子和無水的溶劑中的鋰鹽。

根據用于陽極、陰極和電解質的材料的選擇，鋰離子電池的電壓、容量、壽命和安全性可顯著改變。

只有不僅鋰離子遷移還有電子流經外電路時，才能提取有用功。因此電子移除和接收的簡易性是相關的。

最近已開發出若干新穎和/或改進的電極材料，其中一些基于與導電填充粘合劑和/或與導電粘合劑（為了減重，也是納米粒子形式）結合的電子活性納米粒子。對這樣的材料的專利申請為例如EP?2?228?854?A1和EP?2?287?946?A1。

還已知將多于一種的電化學活性材料（EAM）組合，以用于制造電極，例如陰極。在例如US?3,981,748、US?7,811,707和US?7,811,708中描述了這樣的組合材料。

US?3,981,748公開了磷酸銀（Ag₃PO₃）與鉻酸銀（Ag₂CrO₄）的組合以及磷酸鋰（Li₃PO₄）與鉻酸銀的組合作為鋰電池中的陰極材料。作出與鉻酸銀的組合是為了降低在純磷酸銀的情況中發現的膨脹（其造成不同電壓）。

相同申請人的US?7,811,707和US?7,811,708密切相關，并針對提高電池安全性的問題。作為解決方案，它們提出包含鈷酸鋰和鎳酸鋰的至少之一、和錳酸鹽尖晶石和橄欖石化合物的至少之一的組合物。

US?7,041,239B2公開了旨在改進電極特性（例如循環容量、容量保持率、工作溫度特性和電壓分布）的二元或三元摻混物。這些材料是橄欖石型材料、堿金屬過渡金屬氧化物（該過渡金屬不同于Mn）和堿金屬錳氧化物。