[發明專利]用于鋰離子二次電池的陰極活性物質、其制造方法及包含其的鋰離子二次電池

有效

• 申請號: 201580077217.5
• 申請日: 2015-08-21
• 公開（公告）號: CN107408686B
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 金志允;張東圭;金鐘珉;李美善;蔡榮周
• 申請（專利權）人: 三星SDI株式會社
• 主分類號: H01M4/485
• 分類號: H01M4/485;H01M4/505;H01M4/525;H01M10/0525
• 代理公司: 北京德琦知識產權代理有限公司 11018
• 代理人: 潘懷仁;王珍仙

本發明涉及用于鋰二次電池的陰極活性物質、制備所述陰極活性物質的方法以及包括所述陰極活性物質的鋰離子二次電池，所述陰極活性物質包括在由式Li_1?xNi_yM_1?yO_2?z(其中M為選自Co和Mn中的至少一種元素；0≤x≤0.05；0.6≤y≤1；且0≤z≤0.05)表示的鋰金屬氧化物的表面上或內部的由式Li_2?xM`O<sub>3?y</sub>(其中M`為選自Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Ga、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Ru和F中的至少一種元素；0≤x≤1；且0≤y≤3)表示的含鋰化合物。

技術領域

本公開涉及用于鋰離子二次電池的陰極活性物質、該陰極活性物質的制造方法及包含該陰極活性物質的鋰離子二次電池。

背景技術

隨著電子與信息通信工業中輕便、更小尺寸、更輕重量、更高性能的電子設備的快速發展，對高功率和高性能鋰二次電池作為這些電子設備的能源的需求日益增加。此外，隨著電動汽車(EVs)或混合動力汽車(HEVs)的商業化，已經積極展開了對具有高容量、高功率輸出和高穩定性的鋰二次電池的研究。

可通過使用允許嵌入和脫嵌鋰離子的物質形成陽極和陰極以及在陽極與陰極之間注入有機電解質溶液或聚合物電解質溶液來制造鋰二次電池。鋰二次電池通過在陽極和陰極中發生嵌入和脫嵌鋰離子時發生氧化和還原反應來產生電能。

在鋰二次電池的成分中，陰極的物質對于電池的容量和性能是至關重要的。

作為第一種商業化的陰極物質，鋰鈷氧化物(LiCoO₂)相對于其他鋰過渡金屬氧化物，由于良好的結構穩定性和易于批量生產已被廣泛使用至今。然而，該陰極物質由于作為自然資源的鈷的限制而價格昂貴，并且對人體有害。

由于這些原因，在各方面已研究了作為這種鋰鈷氧化物的替代物的陰極物質。尤其，具有層狀結構的鋰金屬氧化物中，富鎳(Ni)陰極活性物質，即，LiNi_1-xM_xO₂(其中0≤x≤0.5，且M可為例如Co或Mn)，可實現約200mAh/g或更高的高容量，并因此被認為是一種用于新一代電動汽車和電力儲存的合適的陰極物質。這種富鎳陰極活性物質對人體毒性小并且成本低，并因此已被人們以極大興趣研究。

然而，富鎳陰極活性物質可由于增加的表面殘留鋰而引起膨脹，并且通過與電解質溶液反應而產生氣體。

例如，制備鋰金屬氧化物的一般方法可包括制備過渡金屬前驅體，將過渡金屬前驅體與鋰化合物混合，然后煅燒所得混合物。作為鋰化合物，可使用LiOH和/或Li₂CO₃。為了促進晶體結構的形成，通過加入過量的含鋰化合物進行熱處理，以使大量作為LiOH或Li₂CO₃的殘留鋰可在陰極活性物質的表面上可保持未反應。這種殘留鋰，即，未反應的LiOH或Li₂CO₃可通過與電池中的電解質溶液反應而造成氣化和膨脹，導致高溫穩定性嚴重下降。

專利文件1公開了通過在富鎳陰極活性物質的表面上均勻地涂覆氧化硅來抑制富鎳陰極活性物質與電解質溶液之間的副反應的方法。根據專利文件1，制備陰極活性物質的方法可包括：制備包含氧化硅的涂覆溶液；向涂覆溶液中加入Ni含量為50％或更高的富鎳鋰金屬復合氧化物，并且攪拌所得溶液，以將氧化硅涂覆在鋰金屬復合氧化物的表面上；以及在約400℃至600℃的溫度下熱處理包含在其表面上涂覆氧化硅的鋰金屬復合氧化物。

非專利文件1公開了通過浸漬和在約450℃的溫度下煅燒，用金屬氧化物(Al₂O₃或TiO₂)或金屬氟化物(AlF₃)涂覆富鎳陰極活性物質(LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂)的方法。