[發明專利]鋰正極活性材料

在審

• 申請號: 201980077468.1
• 申請日: 2019-12-18
• 公開（公告）號: CN113165906A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: J·赫耶博格;J·W·霍;C·F·埃爾克耶爾;L·F·倫德加德;S·達爾
• 申請（專利權）人: 托普索公司
• 主分類號: C01G53/00
• 分類號: C01G53/00
• 代理公司: 隆天知識產權代理有限公司 72003
• 代理人: 吳小瑛;張福根

本發明涉及一種用于高壓二次電池的鋰正極活性材料：該鋰正極活性材料包含至少94wt％的尖晶石，其中尖晶石的凈化學組成為Li_xNi_yMn_2?yO₄，其中：0.95≤x≤1.05；0.43≤y≤0.47。鋰正極活性材料由顆粒組成，所述顆粒的特征在于以下參數范圍中的一個或多個：顆粒的平均長寬比為1.6以下，顆粒的粗糙度為1.35以下，顆粒的圓形度為0.55以上。本發明還涉及用于制備鋰正極活性材料的方法以及包含該鋰正極活性材料的二次電池。

發明領域

本發明涉及用于高壓鋰二次電池的鋰正極活性材料。特別地，本發明涉及這樣一種具有高容量、針對Li/Li⁺參比電極的高電壓和低退化率(degradation)的材料。而且，本發明涉及用于制備這種材料的方法。

背景技術

鋰正極活性材料的特征可以在于下式：Li_xNi_yMn_2-yO_4-δ，其中0.9≤x≤1.1，0.4≤y≤0.5且0≤δ≤0.1。此類材料可以用于例如：便攜式設備(US 8,404,381 B2)；電動汽車、儲能系統、輔助動力單元和不間斷電源。鋰正極活性材料被看作當前鋰二次電池正極材料的未來繼承者，例如：LiCoO₂和LiMn₂O₄。

鋰正極活性材料可以由通過共沉淀法獲得的一種或多種前體制備。由于共沉淀法，前體和產物是球形的。Electrochimica Acta(2014),pp 290-296公開了一種材料，該材料是由通過共沉淀工藝，然后相繼地在500℃下隨后在800℃下燒結(熱處理)而獲得的前體制備的。所獲得的產物是高度結晶的，并且在第一熱處理步驟(500℃)之后具有尖晶石結構。觀察到產物具有均勻的形態、2.03g cm^-3的振實密度和5.6μm的均勻二次粒徑。ElectrochimicaActa(2004)pp 939-948指出，均勻分布的球形顆粒表現出比不規則顆粒更高的振實密度，這是由于它們的流動性更高且易于包裝。據推測，所獲得的層級形態和LiNi_0.5Mn_1.5O₄的大的二次粒徑增加振實密度。

如US 8,404,381 B2和US 7,754,384 B2中所公開的，鋰正極活性材料也可以由通過將起始物質機械混合以形成均勻混合物而獲得的前體制備。將前體在600℃加熱，在700至950℃之間退火，并在含氧介質中冷卻。公開了需要600℃的熱處理步驟，以確保將鋰很好地摻入到混合的鎳和錳氧化物前體中。還公開了退火步驟通常在大于800℃的溫度下，以便在產生期望的尖晶石形態的同時引起氧的損失。進一步公開了隨后在含氧介質中的冷卻使得氧能夠部分返回。US 7,754,384 B2沒有提及材料的振實密度。公開了使用1-5摩爾％過量的鋰來制備前體。

J.Electrochem.Soc.(1997)144,pp 205-213也公開了由前體制備尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄的方法，該前體是通過將起始物質機械混合以獲得均勻混合物而制備的。將前體在空氣中于750℃加熱3次，然后在800℃加熱一次。公開了當加熱到650℃以上時，LiNi_0.5Mn_1.5O₄失去氧并歧化。然而，通過在含氧氣氛中緩慢的冷卻速度，LiNi_0.5Mn_1.5O₄的化學計量被恢復。沒有公開粒徑和振實密度。還公開了通過機械混合起始物質以得到均勻混合物來制備尖晶石相材料是困難的，并且優選通過溶膠-凝膠法制備的前體。