[發明專利]摻雜有鎂的錳尖晶石、包含其的陰極材料、其制備方法和包含這樣的尖晶石的鋰離子電池

在審

• 申請號: 201880064503.1
• 申請日: 2018-08-29
• 公開（公告）號: CN111418094A
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 馬里奧·桑德羅·格拉赫達塞加拉;阿列克謝·溫莎·盧斯科基斯佩;斯維特拉娜·尼古拉耶芙娜·烏沙克德格拉赫達
• 申請（專利權）人: 安托法加斯塔大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/505;H01M10/052;H01M10/0525
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 蔡勝有;蘇虹

本發明涉及用于為便攜式電子零件、電動工具、混合動力和電動車輛以及可再生能源用儲存系統提供動力的技術領域。具體地，本發明涉及鋰離子電池，更具體地涉及可用于制造所述鋰離子電池中的陰極的活性化合物。甚至更具體地，本發明涉及摻雜有鎂的錳尖晶石、包含其的陰極材料、其制備方法、以及包含這樣的尖晶石的鋰離子電池。

技術領域

本發明涉及用于為便攜式電子零件、電動工具、混合動力和電動車輛提供動力以及可再生能源的儲能系統的技術領域。特別地，本發明涉及鋰離子電池，并且更具體地涉及可用于制造所述鋰離子電池中的陰極的活性化合物。還更特別地，本發明涉及摻雜鎂的錳尖晶石、包含其的陰極材料、制備方法以及包含其的鋰離子電池。

背景技術

鋰離子電池具有無可比擬的高能量密度和功率的組合，這就是為什么它們是用于為便攜式電子零件、電動工具、混合動力和電動車輛提供動力以及為可再生資源的儲存系統供能的被選擇的技術。

目前，鈷鋰氧化物LiCoO₂是在鋰離子電池的陰極的制造中最廣泛使用的化合物。然而，由于其高成本、高毒性、熱不穩定性和安全性問題，其應用限于小型電池。

相比之下，鋰錳尖晶石LiMn₂O₄是用于大型鋰離子電池的最具前景的陰極材料。這是由于其鋰離子在三個維度的擴散，低成本、低毒性及其原料的豐富。然而，LiMn₂O₄存在諸如在高溫(50℃)下的差的循環、Mn溶解、在高化學勢下電解質分解、楊-特勒(Jahn-Teller)畸變和結構不穩定性的問題，這對于商業應用必須解決。

為了克服LiMn₂O₄的不同限制，本發明解決了改善結構性能和電化學性能的問題：(1)在納米級上減小顆粒尺寸和(2)用鎂離子摻雜結構。為此，使用通過超聲波輔助的溶膠-凝膠合成方法，并使用智利Salar de Atacama的典型的Li和Mg的原料。

在與本發明有關的專利文獻中，可以提及：CN 106207153，其描述了用于快速制備摻雜有硼的正電極材料LiMn₂O₄(LiB_0.04Mn_1.96O₄)的方法，所述方法包括首先將試劑(即硝酸鋰、乙酸鋰、硝酸錳、乙酸錳和硼酸)以1:1.96:0.04的Li與Mn與B的摩爾比放入熔化鍋中；將反應物在預熱爐中均勻加熱、熔化和混合，將混合物以液相放入馬弗爐中進行無焰燃燒反應，進行保溫一定的時間，將粉末產物冷卻并研磨以獲得尖晶石電極材料LiB_0.04Mn_1.96O₄，其中用于鋰離子電池的正電極材料具有操作簡單、合成速度高和成本低的特性，并且批量生產容易實施。出現尖晶石鋰錳材料在充電或放電循環中的容量衰減的技術問題，并且用B摻雜所述材料以修復這樣的缺陷。

US2016329563公開了涂覆有具有摻雜有氟的尖晶石結構的鋰金屬的錳氧化物的活性陰極材料以及用于制備其的方法，所述活性陰極材料可以包含在二次鋰電池中。陰極活性材料具有改善的化學穩定性并且提供在高溫(55℃至60℃)和高速下的改善的充電/放電特性。陰極活性材料允許鋰離子容易地穿過涂層并且是化學穩定的，并因此可以有效地用作用于高功率鋰二次電池的陰極活性材料。陰極活性材料具有殼-核結構，其中殼為具有摻雜有氟的尖晶石結構的鋰錳金屬氧化物的覆蓋層，其可以由式Li₁M_xMn_2-xO_4-nF_n表示，其中x為1/(4-z)，z為M的氧化值，以及n為滿足0n0.3的實數。核為具有尖晶石結構的鋰錳氧化物(LMO)。具有尖晶石結構的鋰錳氧化物金屬殼和核以1:20-200的重量比使用并且具有1nm至1μm的厚度。