CN118215640A - 掺杂阴极活性材料及其方法 - Google Patents

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Abstract

描述了掺杂阴极活性材料和制造方法。掺杂阴极活性材料实现了具有改进性能的储能设备，包括但不限于改进的能量密度和容量保持率。

Description

掺杂阴极活性材料及其方法
通过引用并入任何优先申请
本申请是2022年1月12日提交的题为“DOPED CATHODE ACTIVE MATERIALS ANDMETHODS THEREOF”的美国临时专利申请No.63/266,719的非临时申请并要求其优先权，该临时专利申请的全部内容出于所有目的援引加入本文。
技术领域
本公开总体上涉及储能设备，并且具体地涉及用于锂离子电池的掺杂阴极活性材料及其形成过程。
背景技术
电化学储能系统被广泛用来向电子、机电、电化学和其他有用设备提供电力。锂离子电池是电化学储能系统最常见的示例之一，并且锂离子电池的流行是因为与其他电化学储能系统相比，其能量密度更高。锂离子电池由四个主要组件组成：阴极、阳极、电解质和分隔件，并且锂离子电池的成功很大程度上归功于高能量密度电极的开发。
锂离子电池中的一些阴极电极由第一行过渡金属氧化物制成，并且阴极活性材料的一些示例包括锂钴氧化物(LCO)、锂镍锰钴氧化物(NMC)、锂锰氧化物(LMO)和磷酸铁锂(LFP)。然而，许多阴极活性材料在被使用在锂离子电池中时具有缺点，包括在重复充电/放电循环中充电容量显著损失。
发明内容
为了总结本公开以及相对于现有技术所实现的优点，本文描述了本公开的某些目的和优点。并非所有这样的目的或优点都可以在任何特定实施例中被实现。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本发明可以以实现或优化本文所教导的一个优点或一组优点的方式而被体现或执行，而不必实现在本文中可以被教导或建议的其他目标或优点。
在第一方面，提供了掺杂阴极活性材料。掺杂阴极活性材料包括化学式Li1+aTm1-a- bMbOc和Li(Tm)2-bMbOc；其中Tm是过渡金属元素，M是掺杂剂元素，a是0到0.3之间的值，b是0到0.3之间的值，并且c是2到4之间的值。
在另一个方面，提供了一种掺杂阴极活性材料。掺杂阴极活性材料包括化学式Li1+aTm1-a-bMbOc和Li(Tm)2-bMbOc；其中Tm是过渡金属元素，M是掺杂剂元素，a是0到0.3的值，b是0.001到0.3的值，并且c是2或4的值。
在一些实施例中，过渡金属元素选自由Ni、Mn、Ti、Co及其组合组成的群组。在一些实施例中，过渡金属元素选自由Ni、Mn及其组合组成的群组。在一些实施例中，过渡金属元素是NixMn1-x，其中x是0.4到0.8的值。在一些实施例中，该化合物具有化学式LiNixMn1-xMbO2的组成。在一些实施例中，掺杂剂元素是选自由：Al、Ca、B、Mg、Ti、Ta、Zr、Mo、W、Y、Co、Na及其组合组成的群组的金属。在一些实施例中，掺杂剂元素是选自由：Al、Ca、Mg、Ti、Ta、Co及其组成的群组的金属。在一些实施例中，掺杂剂元素是选自由：Al、Ca、Mg、Ti、Ta、Co、W、Zr及其组合组成的群组的金属。在一些实施例中，掺杂阴极活性材料具有至少约2.24g/cc的振实密度。在一些实施例中，掺杂阴极活性材料具有至少约1g/cc的振实密度。在一些实施例中，a是0到0.15的值。在一些实施例中，b是0.001到0.08的值。
在一些实施例中，提供了一种包括掺杂阴极活性材料的电极膜。在一些实施例中，电极膜被安置在形成阴极电极的集电器上方。在一些实施例中，提供储能设备。在一些实施例中，储能设备包括阴极电极、分隔件、阳极电极、电解质和外壳，其中电解质、阴极电极、分隔件和阳极电极被定位在外壳内。在一些实施例中，储能设备是电池。在一些实施例中，储能设备被配置为在以C/3的速率进行30个循环之后具有至少约80％的放电容量保持率。在一些实施例中，储能设备的工作电压约为4.35V。
在第二方面，提供了一种用于制备掺杂阴极活性材料的方法。该方法包括将过渡金属前体、掺杂剂材料和锂源混合以形成活性材料混合物，以及加热该活性材料混合物以形成掺杂阴极活性材料。
在一些实施例中，掺杂剂材料包括多个纳米颗粒。在一些实施例中，纳米颗粒包括小于约100nm的D50尺寸分布。在一些实施例中，掺杂剂材料包括多个颗粒。在一些实施例中，颗粒包括约2μm至约3μm的D50尺寸分布。在一些实施例中，颗粒包括约1μm至约5μm的D50尺寸分布。在一些实施例中，掺杂剂材料选自由金属、金属氧化物、金属氢氧化物、金属碳酸盐、金属碳酸氢盐及其组合组成的群组。在一些实施例中，掺杂剂材料包括选自由：Al、Ca、B、Mg、Ti、Ta、Zr、Mo、W、Y、Co、Na及其组合组成的群组的金属元素。在一些实施例中，金属元素选自由Al、Ca、Mg、Ti、Ta、Co、Zr、Na、W、Zr及其组合组成的群组。在一些实施例中，金属元素选自由：Al、Ca、Mg、Ti、Ta、Co、Zr、Na及其组合组成的群组。在一些实施例中，掺杂剂材料选自由：Al2O3、Ta2O5、TiO2、Co2O3、Ta、Ca(OH)2、NaHCO3及其组合组成的群组。在一些实施例中，掺杂剂材料选自：Al2O3、Ta2O5、TiO2、Co2O3、WOx、Ta、Ca(OH)2、NaHCO3及其组合。
在一些实施例中，过渡金属前体是球形过渡金属前体。在一些实施例中，过渡金属前体选自由过渡金属氧化物、过渡金属氢氧化物、过渡金属碳酸盐及其组合组成的群组。在一些实施例中，过渡金属前体包括选自由：Ni、Mn、Ti、Co及其组合组成的群组的过渡金属元素。在一些实施例中，过渡金属前体选自由：NixMn1-x(OH)2、NixMn1-xCO3及其组合，其中x为0.5至0.7组成的群组。
在一些实施例中，锂源选自由：LiOH.H2O、Li2CO3及其组合组成的群组。在一些实施例中，锂源:掺杂剂材料的摩尔比约为1:0.005至1:0.1。在一些实施例中，锂源:掺杂剂材料的摩尔比约为1:0.0005至1:0.1。在一些实施例中，过渡金属前体:掺杂剂材料的摩尔比约为1:0.001至1:0.1。在一些实施例中，将过渡金属前体和掺杂剂材料预混合以形成前体混合物，并且将前体混合物与锂源混合以形成活性材料混合物。在一些实施例中，锂源是锂盐。在一些实施例中，锂盐选自由：LiOH·H2O、Li2CO3及其组合组成的群组。
在一些实施例中，前体混合物被预热。在一些实施例中，预热在约400-600℃的温度下进行。在一些实施例中，将前体混合物预热3-7小时之间的持续时间。在一些实施例中，预热在包含氧气的气氛中进行。在一些实施例中，预热在空气中进行。在一些实施例中，在约800-1000℃的温度下加热活性材料混合物。在一些实施例中，活性材料混合物在约700-1000℃的温度下加热。在一些实施例中，将活性材料混合物加热5-15小时的持续时间。在一些实施例中，将活性材料混合物加热3-15小时的持续时间。在一些实施例中，加热在包含氧气的气氛中进行。在一些实施例中，加热在空气中进行。在一些实施例中，加热在气流下进行。
所有这些实施例都落在本文公开的本发明的范围内。从下面参考附图对优选实施例的详细描述，这些和其他实施例对于本领域技术人员来说将变得显而易见，本发明不限于所公开的任何特定的优选实施例。
附图说明
图1是描绘根据一些实施例的形成掺杂阴极活性材料的过程的示意图。
图2A是根据一些实施例的掺杂阴极活性材料的SEM图像。
图2B是根据一些实施例的未掺杂和掺杂阴极活性材料的SEM图像。
图3是图示了根据一些实施例的几种掺杂剂对阴极活性材料的归一化振实密度的影响的条形图。
图4是图示了根据一些实施例的几种掺杂剂对半电池的归一化能量的影响的条形图。
图5是图示了根据一些实施例的几种掺杂剂对半电池的电荷保持率的百分比的影响的条形图。
图6是图示了根据一些实施例的不同量的掺杂剂对半电池测试中的第一循环效率的影响的条形图。
图7是图示了根据一些实施例的不同掺杂剂对全电池的能量损失的影响的图。
具体实施方式
本文提供了具有改善的能量密度和容量保持率的掺杂阴极活性材料以及用于制备该掺杂阴极活性材料的方法的各种实施例。阴极活性材料的掺杂，例如镍锰氧化物阴极活性材料的掺杂(例如，约60％的镍含量)可以实现改进的电极容量和改进的电子传输，同时最小化诸如钴之类的昂贵元素的使用。
在某些实施例中，掺杂阴极活性材料包含锂(Li)、过渡金属元素(Tm)、掺杂剂元素(M)和氧(O)。在一些实施例中，掺杂阴极活性材料具有组成Li1+aTm1-a-bMbOc、Li(Tm)2-bMbOc及其组合。
在某些实施例中，前体混合物由过渡金属前体和掺杂剂材料形成。在一些实施例中，掺杂剂材料选自金属(M)、金属氧化物(MyOz)、金属氢氧化物(My(OH)z)、金属碳酸盐(MCO3)、金属碳酸氢盐(MHCO3)及其组合，其中“M”表示金属，“y”和“z”是产生带中性电荷的掺杂剂材料的值。在一些实施例中，掺杂剂材料包含选自铝(Al)、钙(Ca)、硼(B)、镁(Mg)、钛(Ti)、钽(Ta)、锆(Zr)、钼(Mo)、钨(W)、钇(Y)、钴(Co)、钠(Na)及其组合的金属(“M”)。
在一些实施例中，将前体混合物与锂源混合并加热以形成掺杂阴极活性材料，其中掺杂阴极活性材料表现出改善的振实密度。在一些实施例中，阴极电极由掺杂阴极活性材料形成，并且电化学储能系统使用该阴极电极形成，其中电化学能量系统表现出改善的循环寿命和能量密度。在阴极活性材料中使用掺杂剂材料导致电化学储能系统的能量和循环寿命的改善。
掺杂阴极活性材料
阴极活性材料可以被掺杂以改善阴极电极的性能。在一些实施例中，阴极活性材料选自层状氧化物体系(Li(Tm)O2)、尖晶石体系(Li(Tm)2O4)、富锂体系(Li1+x(Tm)1-xO2)及其组合。在一些实施例中，“x”是或约是0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.55、0.6、0.7、0.75、0.8、0.9或1、或其间的任何值范围。例如，在一些实施例中，“x”是0至1、0至0.5或0至0.33的数值。例如，诸如本文所描述的那些之类的阴极活性材料可以用掺杂剂元素来掺杂以形成掺杂阴极活性材料。在一些实施例中，掺杂阴极活性材料包含锂(Li)、过渡金属元素(Tm)、掺杂剂元素(M)和氧(O)。在一些实施例中，掺杂阴极活性材料具有组成Li1+aTm1-a-bMbOc、Li(Tm)2-bMbOc及其组合。
在一些实施例中，过渡金属元素(“Tm”)选自镍(Ni)、锰(Mn)、钛(Ti)、钴(Co)及其组合。在一些实施例中，过渡金属元素(“Tm”)选自镍(Ni)、锰(Mn)、钴(Co)及其组合。在一些实施例中，过渡金属元素(“Tm”)选自镍(Ni)、锰(Mn)及其组合。在一些实施例中，过渡金属元素(“Tm”)不包括或基本上不包括钴(Co)。
在一些实施例中，掺杂剂元素(“M”)包括选自铝(Al)、钙(Ca)、硼(B)、镁(Mg)、钛(Ti)、钽(Ta)、锆(Zr)、钼(Mo)、钨(W)、钇(Y)、钴(Co)、钠(Na)及其组合的金属。在一些实施例中，掺杂剂元素(“M”)包括选自铝(Al)、钙(Ca)、镁(Mg)、钛(Ti)、钽(Ta)、锆(Zr)、钨(W)、钴(Co)及其组合的金属。在一些实施例中，掺杂剂元素包括选自铝(Al)、钙(Ca)、镁(Mg)、钛(Ti)、钴(Co)及其组合的金属。在一些实施例中，掺杂剂元素(“M”)包括选自铝(Al)、镁(Mg)、钛(Ti)、锆(Zr)及其组合的金属。在一些实施例中，掺杂剂元素(“M”)包括选自钽(Ta)、钨(W)及其组合的金属。在一些实施例中，掺杂阴极活性材料包括、至少包括或最多包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15种掺杂剂元素，或其间的任何值范围。
在一些实施例中，“a”是或约是0、0.001、0.005、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.12、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45和0.5，或其间的任何值范围。例如，在一些实施例中，“a”是0至0.5、0至0.15或0至0.05的数值。在一些实施例中，“b”是或约是0、0.001、0.005、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45和0.5，或其间的任何值范围。例如，在一些实施例中，“b”是0至0.5、0.001至0.3或0.001至0.08的数值。在一些实施例中，“c”是或约是1、2、3、4或5，或其间的任何值范围。例如，在一些实施例中，“c”是1至4、或2至4的数值。在一些实施例中，“c”是或约是2或4。在一些实施例中，过渡金属元素包含或包含约40摩尔％、45摩尔％。50摩尔％。55摩尔％、60摩尔％、65摩尔％、70摩尔％、75摩尔％或80摩尔％镍，或其间的任何值范围。在一些实施例中，过渡金属元素是或包含NixMn1-x。在一些实施例中，x是或约是0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95或1的值，或其间的任何值范围。例如，在一些实施例中，“x”是0至0.95、0.45至0.75、0.55至0.74或0.6至0.7的数值。在一些实施例中，掺杂阴极活性材料包括小于或约小于1at.％、2at.％、3at.％、4at.％、5at.％、6at.％、7at.％、8at.％、10at.％或15at.％钴。在一些实施例中，掺杂阴极活性材料不包括或基本上不包括钴。在一些实施例中，掺杂阴极活性材料具有式LiNixMn1- xMbO2。
在一些实施例中，掺杂阴极活性材料具有、约具有、至少具有、或至少约具有如下的振实密度：0.5g/cc、0.7g/cc、0.8g/cc、0.9g/cc、1g/cc、1.2g/cc、1.4g/cc、1.6g/cc、1.8g/cc、2g/cc、2.2g/cc、2.24g/cc、2.4g/cc、2.6g/cc、2.9g/cc、3g/cc，或其间的任何值范围。在一些实施例中，掺杂阴极活性材料具有、约具有、至少具有、或至少约具有1g/cc或2.24g/cc的振实密度。
在一些实施例中，掺杂阴极活性材料由多个球形颗粒组成。在一些实施例中，球形颗粒的直径(例如D50直径)为或约为0.1μm、0.5μm、1μm、2μm、4μm、8μm、10μm、15μm、16μm、20μm、30μm、32μm、35μm、40μm、50μm或60μm，或其间的任何值范围。例如，在一些实施例中，多个球形颗粒的D50直径为约1μm至约50μm。在一些实施例中，阴极活性材料的球形颗粒是较小颗粒的聚集体。在一些实施例中，较小颗粒的直径(例如D50直径)为或约为0.005μm、0.01μm、0.02μm、0.04μm、0.05μm、0.08μm、0.10μm、0.15μm、0.16μm、2μm、2.40μm、2.80μm、3.20μm、3.60μm、4μm、4.2μm、4.4μm、4.5μm、4.6μm、4.8μm、5μm或6μm，或其间的任何值范围。例如，在一些实施例中，较小颗粒的D50直径为约0.01μm至约5μm、约0.01μm至约4μm、约2μm至约3μm。在一些实施例中，较小颗粒的尺寸可以通过掺杂剂的类型和量来调节。在一些实施例中，除了添加主要掺杂剂之外，还可以通过添加次要掺杂剂和/或控制次要掺杂剂的量来修改阴极活性材料的形态和/或表面积。在一些实施例中，较小颗粒被更紧密地堆积并且除了主要掺杂剂之外通过添加次要掺杂剂和/或增加次要掺杂剂的量来感测。
掺杂阴极活性材料可以利用前体材料、前体混合物和活性材料混合物来形成。在一些实施例中，前体混合物由过渡金属前体和掺杂剂材料来形成。在一些实施例中，前体材料、前体混合物和/或活性材料混合物不包括或基本上不包括钴。在一些实施例中，过渡金属前体是球形过渡金属前体。在一些实施例中，过渡金属前体选自金属氧化物(TmpOq)、金属氢氧化物(Tmp(OH)q)、金属碳酸盐(Tmp(CO3)q)及其组合，其中“Tm”表示过渡金属元素并且“p”和“q”是产生带中性电荷的过渡金属前体的值。在一些实施例中，过渡金属前体包含选自镍(Ni)、锰(Mn)、钛(Ti)、钴(Co)及其组合的过渡金属元素(“Tm”)。在一些实施例中，过渡金属前体包含选自镍(Ni)、锰(Mn)、钴(Co)及其组合的过渡金属元素(“Tm”)。在一些实施例中，过渡金属元素(“Tm”)选自镍(Ni)、锰(Mn)及其组合。在一些实施例中，过渡金属元素(“Tm”)不包括或基本上不包括钴(Co)。在一些实施例中，过渡金属前体选自NixMn1-r(OH)2、NirMn1-rCO3及其组合。在一些实施例中，“r”为或约为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95或1，或其间的任何值范围。例如，在一些实施例中，“r”是0与1之间、0.55与0.75之间、0.45与0.75之间、或0.6与0.7之间的数值。在一些实施例中，前体混合物包含或包含约75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、95重量％或100重量％的过渡金属前体，或其间的任何值范围。
在一些实施例中，掺杂剂材料选自金属(M)、金属氧化物(MyOz)、金属氢氧化物(My(OH)z)、金属碳酸盐(MCO3)、金属碳酸氢盐(MHCO3)及其组合，其中“M”表示金属元素并且“y”和“z”是产生带中性电荷的掺杂剂材料的值。在一些实施例中，“M”是选自铝(Al)、钙(Ca)、硼(B)、镁(Mg)、钛(Ti)、钽(Ta)、锆(Zr)、钼(Mo)、钨(W)、钇(Y)、钴(Co)、钠(Na)及其组合的金属元素。在一些实施例中，“M”是选自铝(Al)、钙(Ca)、镁(Mg)、钛(Ti)、钽(Ta)、锆(Zr)、钨(W)、钴(Co)及其组合的金属元素。在一些实施例中，“M”是选自铝(Al)、钙(Ca)、镁(Mg)、钛(Ti)、钴(Co)及其组合的金属元素。在一些实施例中，“M”是选自铝(Al)、镁(Mg)、钛(Ti)、锆(Zr)及其组合的金属元素。在一些实施例中，“M”是选自钽(Ta)、钨(W)及其组合的金属元素。在一些实施例中，掺杂剂材料包含选自铝(Al)、钙(Ca)、硼(B)、镁(Mg)、钛(Ti)、钽(Ta)、锆(Zr)、钼(Mo)、钨(W)、钇(Y)、钴(Co)、钠(Na)及其组合的金属。在一些实施例中，掺杂剂材料包含选自铝(Al)、钙(Ca)、镁(Mg)、钛(Ti)、钽(Ta)、锆(Zr)、钨(W)、钴(Co)及其组合的金属。在一些实施例中，掺杂剂材料包含选自铝(Al)、钙(Ca)、镁(Mg)、钛(Ti)、钴(Co)及其组合的金属。在一些实施例中，掺杂剂材料包括选自铝(Al)、镁(Mg)、钛(Ti)、锆(Zr)及其组合的金属。在一些实施例中，掺杂剂材料包括选自钽(Ta)、钨(W)及其组合的金属。在一些实施例中，掺杂剂材料是选自Al2O3、Ta2O5、TiO2、Co2O3、WOx及其组合的金属氧化物。WOx是氧化钨，包括例如钨(III)氧化物、钨(IV)氧化物、钨(VI)氧化物、五氧化二钨及其组合。在一些实施例中，掺杂剂材料是金属氢氧化物，例如NaHCO3、Ca(OH)2或Mg(OH)2。在一些实施例中，过渡金属前体:掺杂剂材料的摩尔比为或约为1:0.001、1:0.002、1:0.005、1:0.008、1:0.01、1:0.02、1:0.03、1:0.04、1:0.05、1:0.1或1:0.2，或其间的任何值范围。在一些实施例中，掺杂剂材料是粉末。在一些实施例中，粉末是多个颗粒。在一些实施例中，颗粒是纳米颗粒。在一些实施例中，纳米颗粒具有小于约100nm的D50尺寸分布。在一些实施例中，颗粒是微颗粒。在一些实施例中，颗粒的D50尺寸分布为、约为0.5μm、1μm、1.2μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm、1.8μm、2μm、2.2μm、2.4μm、2.5μm、2.7μm、3μm、3.5μm、4μm、5μm、6μm，或其间的任何值范围。在一些实施例中，前体混合物包含或包含约0重量％、1重量％、2重量％、3重量％、5重量％、7重量％、10重量％、15重量％、20重量％或25重量％的掺杂剂材料，或其间的任何值范围。在一些实施例中，前体混合物包含或包含约0摩尔％、0.1摩尔％、0.5摩尔％、0.8摩尔％、1摩尔％、2摩尔％、3摩尔％、4摩尔％。％、5摩尔％或10摩尔％的掺杂剂材料，或其间的任何值范围。
活性材料混合物可以包含前体混合物和锂源。在一些实施例中，锂源是锂盐。在一些实施例中，锂盐选自LiOH.H2O、Li2CO3及其组合。在一些实施例中，锂源:掺杂剂材料的摩尔比为或约为1:0.0001、1:0.0005、1:0.001、1:0.002、1:0.005、1:0.008、1:0.009、1:0.01、1:0.015、1:0.02、1:0.025、1:0.03、1:0.035、1:0.04、1:0.045、1:0.05、1:0.1或1:0.2，或其间的任何值范围。在一些实施例中，活性材料混合物包含或包含约20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％或45重量％的锂源，或其间的任何值范围。在一些实施例中，锂源中的锂离子:前体混合物中的金属离子(包括掺杂剂金属离子和过渡金属离子)的摩尔比为或约为0.8:1、0.085:1、0.9:1、1:1、1:1.001、1:1.005、1:1.01、1:1.05、1:1.08、1:1.1、1:1.15、1:1.2、1:1.25、1:1.28、1:1.3、1:1.35、1:1.4，或其间的任何值范围。在一些实施例中，锂源与掺杂剂材料的比率基于掺杂阴极活性材料的预期式。
掺杂阴极活性材料形成过程
前体材料、前体混合物和活性材料混合物被处理以形成掺杂阴极活性材料。图1是图示了根据一些实施例的掺杂阴极活性材料形成过程的示例的流程图100。提供过渡金属前体102和掺杂剂材料104，并在处理步骤106中组合(例如，混合)以形成前体混合物108。前体混合物108在处理步骤112中与锂源110组合(例如，混合)以形成活性材料混合物114。在处理步骤116中加热(例如，高温煅烧)活性材料混合物114以形成掺杂阴极活性材料118。
在一些实施例中，前体混合物在被形成之后被预热。在一些实施例中，在前体混合物与锂源组合(例如，混合)以形成活性材料混合物之前执行预热。在一些实施例中，预热在、约在、至少在、或至少约在400℃、420℃、440℃、460℃、480℃、500℃、520℃、540℃、560℃、580℃、600℃、625℃、650℃、700℃、800℃或1000℃或其间的任何值范围的温度中进行。在一些实施例中，预热在氧化气氛或气体、惰性气氛或气体、或者还原气氛或气体中进行。在一些实施例中，氧化气氛是包含氧气的气氛，例如诸如空气或富氧气氛。在一些实施例中，富氧气氛包含至少21体积％氧气、至少23.5体积％氧气或至少25体积％氧气。在一些实施例中，惰性气氛是包含氦、氖、氩、氪、氙、氡、氮及其组合的气氛。在一些实施例中，还原气氛是包含氢气、一氧化碳、硫化氢及其组合的气氛。在一些实施例中，进行预热的持续时间为、约为、至少为或至少约为0、1、2、3、4、5、7、10、11、12、15、17、19或20小时，或其间的任何值范围。在一些实施例中，在形成前体混合物之后不进行预热。
在一些实施例中，活性材料混合物在被形成之后被加热。在一些实施例中，加热在、约在、至少在、或至少约在600℃、650℃、700℃、725℃、750℃、760℃、780℃、800℃、820℃、840℃、850℃、860℃、880℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃或1200℃或其间的任何值范围的温度中进行。在一些实施例中，活性材料混合物的加热在氧化气氛、惰性气氛或还原气氛中进行。在一些实施例中，加热温度高于预热温度。在一些实施例中，氧化气氛是包含氧气的气氛，例如诸如空气或富氧气氛。在一些实施例中，氧化气氛是氧气气氛或氧气气体。在一些实施例中，富氧气氛包含至少21体积％氧气、至少23.5体积％氧气或至少25体积％氧气。在一些实施例中，惰性气氛是包含氦、氖、氩、氪、氙、氡、氮或其组合的气氛。在一些实施例中，还原气氛是包含氢气、一氧化碳、硫化氢或其组合的气氛。在一些实施例中，加热在气流下进行。在一些实施例中，气体包括氧化气体、惰性气体或还原气体。在一些实施例中，进行加热的持续时间为、约为、至少为或至少约为0、1、2、3、4、5、7、8、9、10、11、12、15、17、19、20、30、35、40、45或50小时，或其间的任何值范围。在一些实施例中，活性材料混合物在加热时被煅烧。
在一些实施例中，该过程还包括解构掺杂阴极活性材料。在一些实施例中，解构包括选自压碎、研磨及其组合的步骤。在一些实施例中，该过程包括处理掺杂阴极活性材料。在一些实施例中，处理包括选自筛分、洗涤、过滤、干燥、涂覆及其组合的步骤。
储能设备
掺杂阴极活性材料可以被用于制备用于储能设备的电极。在一些实施例中，电极膜(例如，掺杂电极膜)包含掺杂阴极活性材料。在一些实施例中，电极包括集电器和电极膜(例如，掺杂电极膜)。在一些实施例中，电极是阴极电极(例如，掺杂阴极电极)。
在一些实施例中，储能设备包括本文所描述的掺杂阴极活性材料。在一些实施例中，储能设备包括分隔件、阳极电极、阴极电极(例如，掺杂阴极电极)、电解质和外壳，其中电解质、分隔件、阳极电极和阴极电极被安置在外壳内并且分隔件被定位在阳极与阴极电极之间。在一些实施例中，通过将本文所描述的电解质、分隔件、阳极电极和阴极电极放置在外壳内来形成储能设备，其中分隔件被放置在阳极电极与阴极电极之间。在一些实施例中，储能设备是电池。在一些实施例中，储能设备是锂离子电池。在一些实施例中，储能设备包括夹在两个阴极电极之间的阳极电极。
在一些实施例中，储能设备被配置为在C/2、C/3或C/5的速率下在30个循环之后的放电容量保持率为、约为、至少为、或至少约为70％、75％、80％、83％、85％、90％、95％、98％或99％，或其间的任何值范围。在一些实施例中，储能设备被配置为在C/2、C/3或C/5的速率下在30个循环之后的充电容量保持率为、约为、至少为、或至少约为70％、75％、80％、83％、85％、87％、90％、95％、96％、97％、98％或99％，或其间的任何值范围。在一些实施例中，储能设备被配置为在C/2、C/3或C/5的充电速率下在200个循环之后具有能量损失为、约为、小于、或小于约20％、15％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％或3％，或其间的任何值范围。在一些实施例中，储能设备被配置为在C/2、C/3或C/5的放电速率下在200个循环之后具有能量损失为、约为、小于、或小于约20％、15％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％或3％，或其间的任何值范围。在一些实施例中，储能设备被配置为在C/2、C/3或C/5的充电速率下具有第一循环效率为、约为、至少为、或至少约为80％、82％、84％、85％、87％、89％、90％、92％、94％、95％、96％或97％，或其间的任何值范围。在一些实施例中，储能设备被配置为在C/2、C/3或C/5的放电率下具有第一循环效率为、约为、至少为、或至少约为80％、82％、84％、85％、87％、89％、90％、92％、94％、95％、96％或97％，或其间的任何值范围。
在一些实施例中，具有包含掺杂阴极活性材料的阴极的储能设备的操作电压为、约为、至少为、或至少约为4.2V、4.25V、4.3V、4.35V、4.4V、4.45V、4.5V、4.55V、或4.6V，或其间的任何值范围。在一些实施例中，具有包含掺杂阴极活性材料的阴极的储能设备的工作电压高于正常工作电压(例如，4.2V)。较高的工作电压可以增加储能设备的能量密度以及充电和放电速率。在一些实施例中，较高的工作电压至少部分地与掺杂阴极活性材料中的镍含量的量相关。在一些实施例中，过渡金属元素之中的镍含量的量为约40摩尔％至约80摩尔％，以实现高于正常的工作电压。
示例
在以下实施例中描述本公开的示例实施例，包括过程、材料和/或所得产品。
示例1
图2A是根据一些实施例的掺杂阴极活性材料的SEM图像。图2A图示了掺杂阴极活性材料由多个球形颗粒组成。从图2A中也可以看出，球形颗粒是较小颗粒的聚集体。
图2B分别是没有掺杂剂、掺杂1％Ta、掺杂1％Ta和0.2％W、以及1％Ta和0.8％W的阴极活性材料的SEM图像。如图2B中所示，除了主要掺杂剂之外，还可以通过添加次要掺杂剂和/或控制次要掺杂剂的量来修改阴极活性材料的形态和表面积。从图2B中可以看出，随着次要掺杂剂的添加和次要掺杂剂的量的增加，形成阴极活性材料的球形颗粒的较小颗粒更加紧密地堆积并且更加致密。
示例2
制备掺杂的和未掺杂的阴极活性材料，并比较它们的振实密度。将Ni0.65Mn0.35(OH2)2过渡金属前体与1摩尔％TiO2(即1摩尔％Ti)或1摩尔％Co2O3(即1摩尔％Co)掺杂剂材料以过渡金属:掺杂材料的摩尔比＝1:0.009进行混合以形成前体混合物，并且还制备未掺杂的过渡金属前体。前体混合物中的一些在空气或O2中在约500℃下预烘烤3小时，并且替代地，前体混合物中的一些未被预烘烤。将预烘烤的前体混合物、未预烘烤的前体混合物或未掺杂的过渡金属前体与Li2CO3锂源以锂源:掺杂剂材料的摩尔比＝1:0.009进行混合以形成活性材料混合物。将活性材料混合物在空气或O2流下在880-940℃下加热5-15小时(例如10小时)。将加热的活性材料混合物研磨并过筛以产生掺杂的和未掺杂的阴极活性材料，其中钛掺杂的活性材料包括LiNi0.643Mn0.347Ti0.01O2，并且钴掺杂的活性材料包括LiNi0.643Mn0.347Co0.01O2。图3分别图示了不具有掺杂剂、具有1摩尔％Ti或1摩尔％Co掺杂剂并且在预烘烤前体混合物的情况下而制备的阴极活性材料的归一化振实密度。如图3中可以看见的，包含1摩尔％Ti或1摩尔％Co的掺杂阴极活性材料的振实密度高于没有掺杂剂的阴极活性材料。在未预烘烤前体混合物的情况下而制备的阴极活性材料示出与图3中所示的那些类似的结果。
示例3
利用与示例2中描述的那些类似的方法制备利用和未利用预烘烤的前体混合物而形成的掺杂的和未掺杂的阴极活性材料，其中1摩尔％Al2O3、1摩尔％Ca(OH)2、1摩尔％Mg(例如，Mg(OH)2)、1摩尔％TiO2或1摩尔％Co2O3掺杂剂材料被用来对阴极活性材料进行。将掺杂的或未掺杂的阴极活性材料与炭黑和PVDF(聚偏二氟乙烯)在N-甲基-2-吡咯烷酮中进行混合以形成浆料。阴极活性材料:炭黑:PVDF的质量比为90:5:5。将浆料浇注到铝箔上，真空干燥，然后辊压以形成14mm的阴极电极盘。阴极活性材料的负载为约13mg/cm2，并且阴极电极的密度为约3g/cc。使用14mm阴极电极盘和锂金属盘作为阳极电极制造半电池纽扣电池。通过将14mm盘放置在纽扣电池的大罐的顶部上，然后依次堆叠分隔件、锂金属盘、垫片、弹簧，然后将纽扣电池的小罐堆叠在一起，将纽扣电池组装在充满氩气的手套箱中。在质量比为1:4的碳酸氟乙烯酯/碳酸二甲酯(FEC/DMC)电解质溶液中的80μL 1M LiPF6被添加在纽扣电池的大罐与小罐之间。最后，用纽扣电池压接机将纽扣电池的大罐和小罐压接在一起以形成密封。
使用Arbin循环仪对纽扣电池进行测试并将其定位在25℃的温控室中以确保在测试期间测试环境被维持在恒定温度。将纽扣电池静置3小时，然后以C/20的恒定速率充电和放电1个循环。应用CV保持过程直至充电后电流达到C/50，然后将纽扣电池以C/3的恒定速率充电和放电30个循环。接下来，应用CV保持过程直至每次充电结束时电流达到C/20。最后，纽扣电池以C/20的恒定速率充电和放电1个循环周期，然后CV保持直至充电后电流达到C/50。
图4和图5示出了本文所描述的纽扣电池的归一化能量和电荷保持率结果，其具有在预烘烤前体混合物的情况下而制备的阴极并且没有掺杂、1摩尔％Al、1摩尔％Ca、1摩尔％Mg、1摩尔％Ti或1摩尔％Co掺杂剂。如图4和图5中可以看见的，包含掺杂剂材料的纽扣电池的能量和容量保持率分别相对于没有掺杂剂的电池而得到改善。具有在未预烘烤前体混合物的情况下而制备的阴极的纽扣电池示出了与图4和图5中所示的那些类似的结果。
图6显示了本文所描述的纽扣电池的第一次循环效率，其具有未预烘烤前体混合物而制备的阴极并且包括不含Ca掺杂剂、0.125摩尔％Ca、0.25摩尔％Ca、0.5摩尔％Ca、1mol的阴极活性材料。.％Ca或3摩尔％Ca掺杂剂。除了Ca掺杂剂之外，每种阴极活性材料还包括1摩尔％Ta和0.4摩尔％Ti作为掺杂剂。如图6中可以看见的，相对于无Ca掺杂剂，具有0.125摩尔％Ca、0.25摩尔％Ca和0.5摩尔％Ca掺杂剂的纽扣电池的第一个循环效率得到改善。
示例4
制备并测试包括阴极电极的全电池(即，袋状电池)，阴极电极包含在未预烘烤前体混合物的情况下而制备的未掺杂的或掺杂的阴极活性材料。用于全电池的阴极电极的制备与示例3中讨论的半电池的制备类似，不同之处在于阴极活性材料:炭黑:PVDF的质量比为96:2:2，并且阴极的负载量活性物质约为18mg/cm2，并且阴极电极的密度约为3g/cc。将阴极电极形成在54x54 mm盘上。使用石墨作为阳极。通过用两个阴极电极将阳极电极夹在中间并用分隔件包裹每个电极以形成电极堆来制备全电池。然后将电池堆密封在填充有1.5g电解质的袋中。电解质由质量比为25:5:70的碳酸亚乙酯/碳酸甲乙酯/碳酸二甲酯(EC/EMC/DMC)电解质溶液中溶解0.9M LiPF6和0.3MLiFSI来形成。通过热封机将袋状袋密封。然后用异丙烷擦拭布清洁全电池。全电池在露点为-25℃的干燥室中进行组装。
使用Arbin循环仪来测试全电池并将其定位在40℃的温控室中以确保测试环境在测试期间被维持在恒定温度。全电池在被测试之前经过形成过程来形成。全电池最初以C/50的恒定速率被充电至3.0V，并对全电池应用CV保持过程达8小时。然后将全电池以C/5的恒定速率充电至4.055V，并对全电池应用CV保持过程，直到电流达到C/20，然后将全电池静置12小时。以C/20倍率充点和放电之后形成全电池。
在形成过程之后，首先通过以C/2的恒定速率充电和放电1个循环来测试全电池，并对全电池应用CV保持过程直到在被充电之后电流达到C/50。然后，电池以C/2的恒定速率充电和放电200个循环，并对全电池应用CV保持过程，直到每次充电过程结束时电流达到C/20。
图7示出了本文所描述的全电池的能量损失百分比结果，其中阴极不包含掺杂剂、1摩尔％Zr掺杂剂、1摩尔％Zr和1摩尔％Ti掺杂剂、1摩尔％Zr、1摩尔％Ti和1摩尔％Al掺杂剂、或者1摩尔％Zr、1摩尔％Ti、1摩尔％Al和1摩尔％Mg掺杂剂为19.5％、12％、6.5％和4.8％。如图7中可以看见的，包含不同类型和含量的掺杂剂材料的全电池的能量损失相对于不含掺杂剂的全电池减少。此外，使用单一掺杂剂的全电池在200次循环后的能量损失降低到20％以下，使用两种掺杂剂的全电池在200次循环后的能量损失降低到15％以下，并且200个循环后，使用三种或四种不同的掺杂剂，全电池的比例减少到10％以下。
虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅通过示例的方式来呈现，并且不旨在限制本公开的范围。事实上，本文描述的新颖方法和系统可以以各种其他形式来体现。此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对本文描述的系统和方法进行各种省略、替换和改变。所附权利要求及其等同物旨在覆盖落入本公开的范围和精神内的此类形式或修改。
结合特定方面、实施例或示例所描述的特征、材料、特性或群组应该被理解为适用于本节或本说明书中其他地方描述的任何其他方面、实施例或示例，除非与其不兼容。本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合来进行组合，除非其中至少一些这样的特征的组合和/或步骤是互斥的。保护不限于任何前述实施例的细节。保护延伸至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征中的任何新颖的一个或任何新颖的组合、或者如此公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖的一个或任何新颖的组合。
此外，在本公开中在分开的实现的上下文中描述的某些特征也可以在单个实现中被组合地实施。相反，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以分开地在多个实现中被实施或以任何合适的子组合来实施。此外，尽管特征可能在上面被描述为在某些组合中起作用，但是在一些情况下，可以从所要求保护的组合中删除一个或多个特征，并且该组合可以被要求保护为子组合或子组合的变体。
此外，虽然操作可以以特定的顺序在附图中被描绘或在说明书中被描述，但是这样的操作不需要以所示出的特定顺序或以连续的顺序来执行，或者不需要执行所有操作，以取得期望的结果。未描绘或描述的其他操作可以被并入示例方法和过程中。例如，可以在任何所描述的操作之前、之后、同时或之间执行一个或多个附加操作。此外，在其他实现中可以对操作进行重新布置或重新排序。本领域技术人员将了解，在一些实施例中，在所图示和/或公开的过程中采取的实际步骤可以与图中所示的不同。取决于实施例，可以去除上述某些步骤，也可以添加其他步骤。此外，上面公开的具体实施例的特征和属性可以以不同的方式来组合以形成另外的实施例，所有这些都落入本公开的范围内。另外，上述实现中的各个系统组件的分离不应被理解为在所有实现中都需要这样的分离，并且应该理解的是，所描述的组件和系统通常可以一起被集成在单个产品中或者被封装成多个产品。例如，本文描述的储能系统的任何组件可以被分开提供或被集成在一起(例如，封装在一起或附接在一起)以形成储能系统。
为了本公开的目的，本文描述了某些方面、优点和新颖特征。不一定可以根据任何特定实施例实现所有这些优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本公开可以以实现如本文所教导的一个优点或一组优点的方式来体现或执行，而不必实现如本文所教导或建议的其他优点。
除非另外具体说明，或者在所使用的上下文中以其他方式理解，诸如“可以”或“可能”之类的条件语言通常旨在传达某些实施例包括、同时其他实施例不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，这样的条件语言一般并不旨在暗示特征、元素和/或步骤以任何方式是一个或多个实施例所要求的，或者一个或多个实施例必须包括用于在有或没有用户输入或提示的情况下决定这些特征、元件和/或步骤在任何特定实施例中是否被包括或者将被执行的逻辑。
除非另外具体说明，否则诸如短语“X、Y和Z中的至少一个”之类的连接语言应与通常使用的上下文一起理解以表达项目、术语等可以是X、Y或Z。因此，此类连接语言通常并不旨在暗示某些实施例要求存在X中的至少一个、Y中的至少一个和Z中的至少一个。
本文中使用的程度语言，诸如本文中使用的术语“约”、“大约”、“一般”和“基本上”表示接近所述值、量或特性的值、量或特性，其仍然执行期望的功能或实现期望的结果。
本公开的范围不旨在受限于本节或本说明书中其他地方的实施例的具体公开，并且可以由本节或本说明书中其他地方提出的或未来提出的权利要求来限定。权利要求的语言应基于权利要求中所采用的语言来广义地解释，并且不限于本说明书中或在申请的审查期间描述的示例，这些示例应被解释为非排他性的。
虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅通过示例的方式来呈现，并且不旨在限制本公开的范围。事实上，本文描述的新颖方法和系统可以以各种其他形式来体现。此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对本文描述的系统和方法进行各种省略、替换和改变。所附权利要求及其等同物旨在覆盖落入本公开的范围和精神内的此类形式或修改。因此，本发明的范围仅通过参考所附权利要求来限定。

Claims (43)

1.一种掺杂阴极活性材料，包含具有化学式(I)或化学式(II)的组成的化合物：
(I)Li1+aTm1-a-bMbOc
(II)Li(Tm)2-bMbOc；
其中：
Tm是过渡金属元素；
M是掺杂剂元素；
a是0到0.3的值；
b是0.001到0.3的值；以及
c是2或4的值。
2.根据权利要求1所述的掺杂阴极活性材料，其中所述过渡金属元素选自由Ni、Mn、Ti、Co及其组合组成的群组。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的掺杂阴极活性材料，其中所述过渡金属元素选自由Ni、Mn及其组合组成的群组。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的掺杂阴极活性材料，其中所述过渡金属元素是NixMn1-x，其中x是0.4到0.8的值。
5.根据权利要求4所述的掺杂阴极活性材料，其中所述化合物具有化学式LiNixMn1- xMbO2的组成。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的掺杂阴极活性材料，其中所述掺杂剂元素是选自由Al、Ca、B、Mg、Ti、Ta、Zr、Mo、W、Y、Co、Na及其组合组成的群组的金属。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的掺杂阴极活性材料，其中所述掺杂剂元素是选自由Al、Ca、Mg、Ti、Ta、Co、W、Zr及其组合组成的群组的金属。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的掺杂阴极活性材料，其中所述掺杂阴极活性材料具有至少约1g/cc的振实密度。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的掺杂阴极活性材料，其中a是0到0.15的值。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的掺杂阴极活性材料，其中b是0.001到0.08的值。
11.一种电极膜，包含根据权利要求1-10中任一项所述的掺杂阴极活性材料。
12.一种阴极电极，包含被安置在集电器上的根据权利要求11所述的电极膜。
13.一种储能设备，包括：
根据权利要求12所述的阴极电极；
分隔件；
阳极电极；
电解质；以及
外壳，其中所述电解质、所述阴极电极、所述分隔件和所述阳极电极被定位在所述外壳内。
14.根据权利要求13所述的储能设备，其中所述储能设备是电池。
15.根据权利要求14所述的储能设备，其中所述电池被配置为在以C/3的速率进行30个循环之后具有至少约80％的放电容量保持率。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的储能设备，其中所述储能设备的工作电压约为4.35V。
17.一种用于形成根据权利要求1-10中任一项所述的掺杂阴极活性材料的过程，包括：
将过渡金属前体、掺杂剂材料和锂源混合以形成活性材料混合物；以及
加热所述活性材料混合物以形成所述掺杂阴极活性材料。
18.根据权利要求17所述的过程，其中所述掺杂剂材料包含多个颗粒。
19.根据权利要求18所述的过程，其中所述纳米颗粒包含约1μm至约5μm的D50尺寸分布。
20.根据权利要求17-19中任一项所述的过程，其中所述掺杂剂材料选自由金属、金属氧化物、金属氢氧化物、金属碳酸盐、金属碳酸氢盐及其组合组成的群组。
21.根据权利要求17-20中任一项所述的过程，其中所述掺杂剂材料包含选自由Al、Ca、B、Mg、Ti、Ta、Zr、Mo、W、Y、Co、Na及其组合组成的群组的金属元素。
22.根据权利要求21所述的过程，其中所述金属元素选自由Al、Ca、Mg、Ti、Ta、Co、Zr、Na、W、Zr及其组合组成的群组。
23.根据权利要求17-22中任一项所述的过程，其中所述掺杂剂材料选自由Al2O3、Ta2O5、TiO2、Co2O3、WOx、Ta、Ca(OH)2、NaHCO3及其组合组成的群组。
24.根据权利要求17-23中任一项所述的过程，其中所述过渡金属前体是球形过渡金属前体。
25.根据权利要求17-24中任一项所述的过程，其中所述过渡金属前体选自由过渡金属氧化物、过渡金属氢氧化物、过渡金属碳酸盐及其组合组成的群组。
26.根据权利要求25所述的过程，其中所述过渡金属前体包含选自由Ni、Mn、Ti、Co及其组合组成的群组的过渡金属元素。
27.根据权利要求17-26中任一项所述的过程，其中所述过渡金属前体选自由NixMn1-x(OH)2、NixMn1-xCO3及其组合组成的群组，其中x为从0.5至0.7。
28.根据权利要求17-27中任一项所述的过程，其中所述锂源选自由LiOH.H2O、Li2CO3及其组合组成的群组。
29.根据权利要求17-28中任一项所述的过程，其中所述锂源:掺杂剂材料的摩尔比约为1:0.0005至1:0.1。
30.根据权利要求17-29中任一项所述的过程，其中所述过渡金属前体:掺杂剂材料的摩尔比约为1:0.001至1:0.1。
31.根据权利要求17-30中任一项所述的过程，其中将所述过渡金属前体和所述掺杂剂材料预混合以形成前体混合物，并且将所述前体混合物与所述锂源混合以形成所述活性材料混合物。
32.根据权利要求17-31中任一项所述的过程，其中所述锂源是锂盐。
33.根据权利要求32所述的过程，其中所述锂盐选自由LiOH.H2O、Li2CO3及其组合组成的群组。
34.根据权利要求31所述的过程，其中所述前体混合物被预热。
35.根据权利要求34所述的过程，其中预热在约400-600℃的温度下进行。
36.根据权利要求34或权利要求35所述的过程，其中将所述前体混合物预热3-7小时之间的持续时间。
37.根据权利要求34-36中任一项所述的过程，其中预热在包含氧气的气氛中进行。
38.根据权利要求37所述的过程，其中预热在空气中进行。
39.根据权利要求17-38中任一项所述的过程，其中在约700-1000℃的温度下加热所述活性材料混合物。
40.根据权利要求17-39中任一项所述的过程，其中将所述活性材料混合物加热3-15小时之间的持续时间。
41.根据权利要求17-40中任一项所述的过程，其中加热在包含氧气的气氛中进行。
42.根据权利要求41所述的过程，其中所述加热在空气中进行。
43.根据权利要求17-42中任一项所述的过程，其中所述加热在气流下进行。
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US8389160B2 (en) * 2008-10-07 2013-03-05 Envia Systems, Inc. Positive electrode materials for lithium ion batteries having a high specific discharge capacity and processes for the synthesis of these materials
CN102738456A (zh) * 2011-04-07 2012-10-17 锂科科技股份有限公司 锂离子电池正极金属氧化物材料、其制造方法及锂离子电池
US20170214045A1 (en) * 2016-01-22 2017-07-27 Apple Inc. High-energy cathode active materials for lithium-ion batteries
KR102402388B1 (ko) * 2017-04-28 2022-05-26 삼성에스디아이 주식회사 양극 활물질, 이를 채용한 양극과 리튬 이차 전지, 및 상기 양극 활물질의 제조방법
KR102702589B1 (ko) * 2018-10-15 2024-09-04 삼성전자주식회사 리튬전지

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