[發明專利]含有三價金屬的鈦和鈮混合氧化物

在審

• 申請號: 201480007127.4
• 申請日: 2014-01-16
• 公開（公告）號: CN104968606A
• 公開（公告）日: 2015-10-07
• 發明（設計）人: L·布阿尼克;J-F·科林;M·雷伊
• 申請（專利權）人: 原子能與替代能源委員會
• 主分類號: C01G33/00
• 分類號: C01G33/00;H01M4/485
• 代理公司: 上海一平知識產權代理有限公司 31266
• 代理人: 崔佳佳;劉妍珺

發明領域

本發明涉及無鋰的、含有三價金屬的鈦鈮混合氧化物。

本發明的技術領域尤其涉及能量儲存，更具體地，涉及可用于鋰電池生產的電極材料的開發。

現有技術

鋰蓄電池越來越多用于存儲電能，從而來提供獨立的電源，特別是在便攜式設備中。它們包括一正電極和一負電極，其具有一電極隔板，以確保位于兩者之間的Li⁺離子的傳導。

鋰蓄電池由于其更優越的質量和體積能量密度，正逐步取代鎳-鎘(Ni-Cd)和鎳-金屬氫化物(Ni-MH)蓄電池(能量密度與完整的鋰離子電池質量相關)。

事實上，盡管以前第一代鋰離子蓄電池有大約85Wh/kg的能量密度，而最新一代接近200Wh/kg，也就是說，遠遠超過了鎳氫蓄電池的能量密度(100Wh/kg)和鎳鎘蓄電池的能量密度(50Wh/kg)。

因此，下一代鋰蓄電池不僅能夠拓寬其應用領域，而且還會激發新的電極材料的開發，通過提高能量與質量和/或體積單元的比例，以進一步提高其性能。

通常地，活性正極材料為層狀化合物，例如LiCoO₂，LiNiO₂以及Li(Ni,Co,Mn,Al)O₂類型的混合氧化物，或者，具有組成接近于LiMn₂O₄的尖晶石結構化合物。

活性負電極材料一般是基于碳(石墨，焦炭等)。然而它們可以是Li₄Ti₅O₁₂尖晶石類型或一種與鋰形成合金的金屬(錫，硅等)。這類化合物的理論和實際的比容量，石墨的數量級大約為370mAh/g，而氧化鈦的數量級大約為175mAh/g。

某些材料如化合物Li₄Ti₅O₁₂具有相對較高的工作電位，大約為1.6伏，這使得它們非常安全。因此它們在電力應用中可以用作負極材料，特別是當它們還具有非常良好的高倍率循環性能時，盡管與石墨相比，它們的容量較低。

因為鈮具有接近于鈦的工作電位，對Li₄Ti₅O₁₂化合物的替代物作為電極材料的搜尋，已使鈮的氧化物以及混合的鈦鈮氧化物得以開發。還應注意的是，鈮在每個金屬中心能夠交換2個電子(NB⁵⁺/NB³⁺)。

具體地，現有技術中此類鈦鈮混合氧化物是以下幾種：

-ATiNbO₅型層狀氧化物(A＝H,Li)，以及相應的壓縮(condensed)相Ti₂Nb₂O₉，(Colin等,一種新型分層鈦鈮酸鹽LiTiNbO₅：拓撲合成和電化學與鋰的比較(“A?Novel?Layered?Titanoniobate?LiTiNbO₅:Topotactic?Synthesis?and?Electrochemistry?versus?Lithium”),Inorg.Chem.,45,7217-7223,2006；Colin等,具有通道結構的鋰嵌入定向納米多孔氧化物：Ti₂Nb₂O₉(“Lithium?Insertion?in?an?Oriented?Nanoporous?Oxide?with?a?Tunnel?Structure:Ti₂Nb₂O₉”),Chem.Mater.,20,1534-1540,2008；Colin等,新型鈦鈮酸鹽(Li,H)₂TiNbO₅和(Li,H)₃TiNbO₅：合成，結構和性能(“New?titanoniobates(Li,H)₂TiNbO₅and(Li,H)₃TiNbO₅:synthesis,structure?and?properties”),J.Mater.Chem.,18,3121-3128,2008)；