[發明專利]具有長循環壽命的高體積能量密度鋰電池

在審

• 申請號: 201580058822.8
• 申請日: 2015-11-06
• 公開（公告）號: CN107148689A
• 公開（公告）日: 2017-09-08
• 發明（設計）人: W·劉;前田英明;沼田光一;J·馬;Y·高;M·謝瓦納雅格姆;I-F·胡
• 申請（專利權）人: 陶氏環球技術有限責任公司
• 主分類號: H01M4/505
• 分類號: H01M4/505;H01M4/525;H01M10/0525;H01M10/0569
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所11256
• 代理人: 吳亦華

技術領域

本發明涉及鋰電池。

背景技術

鋰電池廣泛用作車輛以及許多類型的電子設備的一次電池和二次電池。這些電池趨于具有高能量和功率密度，并且因此在許多應用中是有利的。

原則上，可通過提高電池的工作電壓來增加電池的能量和功率密度。為此，已開發了具有4.5V或更多的工作電位(相對于Li/Li⁺)的陰極材料。然而，較高的工作電位使鋰電池電解質溶液中常用的許多組分降解。例如，碳酸亞乙酯被非常地廣泛用作鋰電池中的電池電解質溶劑，但在這些較高電壓下并非電化學穩定的。電化學不穩定性導致電池性能問題，例如容量衰減、電壓衰減、倍率性能差、安全性差、高溫性能差和高溫電池壽命差。因此，本領域需要開發性能更好的高能量密度電池。

具體實施方式

本發明在一個方面是電池，所述電池包括陽極、包括鋰鎳錳鈷氧化物陰極材料的陰極、以及各自設置在陽極和陰極之間的隔膜和電池電解質溶液，其中所述電池電解質溶液包括溶解于溶劑混合物中的鋰鹽，所述溶劑混合物包括碳酸二乙酯、以及碳酸4-氟亞乙酯和碳酸亞乙酯中的至少一種，其中碳酸二乙酯與碳酸4-氟亞乙酯和碳酸亞乙酯的體積比為至少85∶15，并且碳酸二乙酯、碳酸4-氟亞乙酯和碳酸亞乙酯一起構成溶劑混合物的至少80體積百分比。

本發明的電池顯示出非常高的體積能量密度。它們也顯示出極佳的循環穩定性。它們在大量充電/放電循環中保持高電壓和容量。它們顯示出在高放電率下非常好的性能，并且在高溫使用和儲存條件下表現良好。

陰極包括至少一種鋰鎳錳鈷氧化物陰極材料。合適的鋰鎳錳鈷氧化物陰極材料包括由式Li_xNi_(1-a-b)Mn_aCo_bO₂表示的那些，其中0.05≤a≤0.9，0.05≤b≤0.8，a+b≤0.95并且x為1至1.4。更優選地，0.1≤a≤0.5，0.1≤b≤0.5并且a+b≤0.8；在這種實施例中，a+b小于或等于0.6或者小于或等于0.4。在一些實施例中，x優選為1.005至1.3，更優選1.01至1.25或1.01至1.15。

陰極材料優選為相對于Li/Li⁺具有至少4.5V的工作電壓的陰極材料。在一些實施例中，當以0.05C的速率從4.6伏放電到2伏時，陰極材料展示至少250mAh/g的比容量。

陰極材料可為有時稱為富鋰金屬氧化物或富鋰層狀氧化物(各自在本文中由首字母縮略詞LRMO鑒定)的一類鋰鎳錳鈷氧化物。這些材料一般展示具有單斜和菱方晶域的層狀結構。當充電至相對于Li/Li⁺約4.6伏的電壓時，它們可具有270mAh/g或更多的初始比放電容量。合適的LRMO陰極材料包括美國專利號5,993,998、6,677,082、6,680,143、7,205,072、7,435,402和8,187,752；日本未審查專利號11307094A；EP專利申請號1193782；Chem.Mater.23(2011)3614-3621；和J.Electrochem.Soc.，145∶12，Dec.1998(4160-4168)中描述的那些。

陰極材料還可含有少量改善一種或多種性質的陰離子摻雜劑，其例子是氟。

陰極材料優選以顆粒的形式提供，如使用激光方法測量的，所述顆粒具有10nm至250μm，優選50nm至50μm的粒徑。

除上述陰極材料之外，陰極還可包括一種或多種另外的成分，例如粘結劑、導電顆粒、保護涂層等等。陰極可例如通過下述形成：將陰極材料的顆粒與粘結劑材料、載液和任選的一種或多種陰極導電材料(例如炭黑、活性炭、金屬等等)的顆粒混合，澆鑄所得到的混合物，然后去除載液。保護涂層可在形成陰極之前施加于陰極材料本身和/或施加于整個陰極。陰極材料和/或陰極可涂覆有例如非離子導電固體，例如磷酸鋰、硫化鋰、鈦酸鋰鑭，如US 2011-0081578中所述，和/或涂覆有涂層例如Al₂O₃、La₂O₃或AlF₃。如US 2007-0281212中所述，陰極可具有含有穩定的銨磷、鈦、硅、鋯、鋁、硼和/或氟原子的蝕刻表面。