CN1307373A - 高能锂离子充电电池阴极材料 - Google Patents
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Abstract
一种高能锂离子充电电池阴极材料,涉及一种蓄电池材料的改进。该发明是具有R3M结构并渗有(doping)二价阴离子的锂化的过渡金属氧化物,二价阴离子的渗杂量应限于所有过渡金属层中原子总数的1-25%,二价阴离子或原子在晶体点阵中排列在原先由镍、钴和镍/钴占据的位置。其优点是:本发明材料具有高容量,低的容量损失率及高的电压承载能力;同时本材料大大改进了现存的锂离子充电电池阴极材料,因为现在使用的阴极材料虽具有良好的容量,但这个容量很快会被损失掉;综前所述,本发明材料较现存材料大大改进了容量和循环特性。
Description
本发明属于电能存储系统技术领域,特别是涉及一种蓄电池材料的改进。
做为各种材料制造的充电电池,锂离子充电电池是其中之一,锂离子充电电池的阴极通常是以锂为基础的氧化物构成。这些氧化物的晶体点阵提供了锂离子渗入(intercalation)和淡出(deintercdation)的结构框架。能够提供锂离子进出通道的阴极材料称为活性材料(active materials),在充电过程中,锂离子从阴极材料中淡出,经由电解质最后沉积或渗入阴极材料中。在放电过程中锂离子又渗入到阴极材料中。以促成电流的流动。在充放电循环中,为了保持电极反应的可逆性,阴极活性材料的结构反应发生显著的变化。这是因为结构稳定性(stability)是保证电极反应可逆性及锂离子的渗入和淡出循环的基础。通常的理解是:阴极材料的成份和结构直接影响着电池的比容量、比能量、电流输出及循环性。
如前所述,锂离子电池的阴极通常是由锂过渡金属氧化物组成。通用的成份有:LiMn2O4、LiNiO2、LiCoO2。这三种材料都是可供锂离子渗入和淡出的活性材料,这些材料相对于锂具有很高的电位(3.8-4.0V),同时由于较小的分子摩尔重,因此具有很高的能量密度。
表1给出了当焦炭做阳极时,这三种材料的能量密度(K.Brand,SolidStateIonics,69(1994),PP173-183),同时还有循环性,制造成本和合成的难易程度。
表-1
在这三种材料中,相比较之下,LiMnO2和LiNiO2具有低的制造成本,同时有利于环保。但是这二种材料的循环性较差,因而影响了它们的应用。目前广为应用的只有LiCoO2。
材料成分 | 能量密度(ωh/kg) | 循环性 | 成本 | 合成难易度 |
LiCoO2 | 276 | 好 | 高 | 容易 |
LiNiO2 | 321 | 差 | 中等 | 难 |
LiMn2O4 | 305 | 中间 | 低 | 中等 |
R.S Gvmmow等建议加入过量的Li去改善LiMn2O4,(R.S.Gvmmow,etal,Solid State Ionics,69(1994),PP59-67),这篇文献还建议加入锰(Mn)和锌(Zn)以改进LiMn2O4循环特性。结果明显时,LiMn2O4的循环特性是改进了,但是Mn和Zn的渗杂却降低了这材料比容量。
美国专利NO.5,264,201公布了一种改进循环稳定性的材料,这种材料可用一个化学式表示为LixNi2-x-yMyO2。x介于0.8到1.0之间,M是一种或多种下列元素的组合Co、Fe、Ti、Mn、Cr、V,除了Co之外(y小于或等于0.5),y通常小于或等于0.2。该专利还提出,只要保证Li的成分x在0.8-1.0之间,Ni原子在空间排列位置的变化就不会大到足以降低Li自由进入阴极材料的能力。
美国专利No.5,591,543公布了一种锂离子阴极材料,这一族材料可表示为Li1-xOx/2ZQm,在这里Z代表下列金属之一:Cox、Ni、Mn、Fe和V;Q是一个第二主族元素,包括Co、Mg、Sr和Ba;m在2.0到2.5之间。这项专利的发明者们认为,含有Q的氧化物或炭化物的加入导致了部分Q阳离子进入到LiCoO2的晶格点阵中去,而其它的Q则以混合物的方式存在,在充放电循环过程中,这些以氧化物或炭化物存在的物质会发生溶解并与电解质发生作用,从而起到一种干燥剂的作用,正是这种作用可能导致最终阴极材料循环性的改善。
尽管前述的几个专利改进了阴极材料的可循环性,可是所有这些材料的充电电位不能超过4.2V,一旦充电电位超过4.2V,材料的结构会发生Sahn-Teller畸变,因而导致材料电化学性能的降低。
本发明的目的是提供一种经适当处理,这种材料应具有稳定的结构,从而突破充电电位的限制以改善材料的能量密度、容量和循环特性的高能锂离子充电电池阴极材料。
本发明的技术方案如下:
本发明是一种具有R
3M结构并渗有(doping)二价阴离子的锂化的过渡金属氧化物,二价阴离子的渗杂量应限于所有过渡金属层中原子总数的1-25%,二价阴离子或原子在晶体点阵中排列在原先由镍、钴和镍/钴占据的位置。
本发明优选于二价阴离子的渗杂量为所有过渡金属层中原子总数的3-15%。
该渗杂的锂过渡金属氧化物包括下列两组材料:
其分子式是:
Li1+xNi1-yMyNxO2(1+x)
和Li1Ni1-yMgNxOp
M代表一种或多种组合的过渡金属,其中有Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Al;N是一种第二主族元素,包括Mg、Ca、Sr、Ba、Zn。
如果M是Co或Mn,0≤Y≤1;
如果M是Ti、V、Cr、Fe,0≤y≤0.5;
如果M是Al,0≤y≤0.4;
如果N是Mg或Ca,0≤x≤0.25;
如果N是Sr、Ba、Zn,0≤x≤0.1;
这里2(1+x/2)≤p≤2(1+x)
本发明渗杂的锂过渡金属氧化物优选于锂镍氧化物、锂钴氧化物或锂镍钴氧化物,在上述的氧化物中,二价阴离子或原子在晶体点阵中排列在原先由镍、钴和镍/钴占据的位置。
本发明的优点是:提供了一种具有优异电化学性能,而在结构及成份上有别于其它现在专利的新型材料;本发明材料具有高容量,低的容量损失率及高的电压承载能力;同时本材料大大改进了现存的锂离子充电电池阴极材料,因为现在使用的阴极材料虽具有良好的容量,但这个容量很快会被损失掉;综前所述,本发明材料较现存材料大大改进了容量和循环特件。
图2是用乳胶法制成的LiNi0.75Co0.25Mg0.03Op,X-光衍射谱;
图4是由喷雾干燥法制成的LiNi0.75Co0.25Mg0.03Op(2.03≤P≤2.06)X-光衍射谱;
图5是比容量随循环次数的变化图,此电池的阴极是由喷雾干燥法制成的LiNi0.75Co0.25Mg0.03Op(2.03≤P≤2.06);
图6是用固态合成法方法合成的LiNi0.75Co0.25Mg0.03Op(2.03≤P≤2.06)X-光衍射谱;
图7是比容量随循环次数的变化图,此电池的阴极是由固态合成法制成的LiNi0.75Co0.25Mg0.03Op(2.03≤P≤2.06);
图8是以下三种材料的X-光衍射谱;
(a)Li1.03Ni0.75Co0.25Mg0.03O2.03;
(b)Li1.05Ni0.75Co0.25Mg0.03O2.10;
(c)Li1.10Ni0.75Co0.25Mg0.03O2.20;
以上三种材料都是由固态合成法方法合成的。
图9是比容量随循环次数的变化图,此电池的阴极是由固态合成法制成的LiNi0.75Co0.25Mg0.05Op(图中用
表示)、LiNi0.75Co0.25Mg0.10Op(图中用
表示)或LiNi0.75Co0.25Mg0.20Op(图中用
表示);
图10是比容量随循环次数的变化图,此电池的阴、阳极由Li1.10Ni0.75Co0.25Mg0.10O2.20和CoKe制成;循环50次,电位3.1-4.4V,电流密度0.50mA/cm2。
图11是比容量随循环次数的变化图,此电池的阴、阳极由Li1.10Ni0.75Co0.25Mg0.10O2.20和锂制成;循环30次,电位3.1-4.6V,电流密度0.50mA/cm2。
图12是比容量随循环次数的变化图,此电池的阴、阳极由Li1.10Ni0.75Co0.25Mg0.10O2.20和锂制成;循环100次,电位3.1-4.4V,电流密度0.50mA/cm2。
图13是比容量随循环次数的变化图,此电池的阴、阳极由Li1.10Ni0.75Co0.25Mg0.10O2.20,Li1Ni0.75Co0.25Mg0.03Op或Li0.80Ni0.75Co0.25Mg0.10O2做成的;
下面结合附图对本发明做进一步描述:
实施例1:
用乳胶法(Gelaton)方法生产的LiNi0.75Co0.25Mg0.03Op(2.03≤P≤2.06)
先把0.1mol的氢氧化锂溶解于30ml的蒸馏水中以形成透明的液体;另外,再把0.075mol的醋酸镍和0.025mol的醋酸钴溶于150ml水中形成形成透明的深紫色的溶剂;然后把0.003mol的氢氧化镁溶于1ml,70%的硝酸中,最后把氢氧化锂和氢氧化镁溶剂加入到醋酸镍和醋酸钴溶剂中去;混合后形成了深紫色的悬浮液,然后再往悬浮液中加入90ml的ethylalcohol(200ploof)(etlhyl酒精)。
上述制成的悬浮液被放在悬浮液被放在120℃,500mbar的真空中干燥3小时;之后,把压力减小到100mbar,而温度升高到140℃,再干燥1小时。经过上述干燥工艺后,得到一种坚硬、紫色的玻璃体,重量大约在20g。称取大约6.0g的上述样品,经研磨后,放在炉中灼烧到800度,并保温2小时,最后得到大约2.8g锂、镍、钴、镁氧化物。
经上述工艺制成的粉末,样品先用X-光检验,然后再加工成阴极,对其电化学性能进行测试,其X-光谱如图2,经分析形成的是一种具有Rm结构的单相晶体粉末,晶格参数为a=2.840A,C=14.100A。电化学结果如图3所示,为了便于比较,不含有镁的锂、镍、钴氧化物也按着上述工艺进行合成,电化学结果也如图3所示。
由图3可见,含镁的氧化物在循环30次之后,容量只减少了0.1%;相比之下不含镁的氧化物却降低了0.46%。
实施例2:
用喷雾干燥法(SprayDrying)合成的LiNi0.75Co0.25Mg0.03Op(2.03≤P≤2.06)
把0.15mol的Nickel(2)acetate tetrahydrate和0.05mol的Cobalt(2)acetate tetnahydrate溶入到220ml的甲醇中;另外,再把0.2mol的氢氧化锂溶入到100ml的甲醇中;同时把0.006mol的氢氧化镁溶入到予先加有2ml、70%硝酸的400ml水中。最后把上述配成各种溶剂混合到一起,形成了带有沉淀物的液体;这些沉淀经搅拌后20分钟后会很快消失,为了便于spraydry,然后再把氢氧化镁溶液加入到上述制成的溶液中,此时形成了一种透明液体,这样得到的液体进行spraydry。为了得到活性物质,经spraydry的粉末再灼烧到800℃,保温2小时(在静止的空气中),升温和降温均控制在2。上述合成粉末具有比表面积大,粒子分布均匀,晶粒尺寸小等优点。
经X-光检测后,制成的粉末加工成锂离子充电电池阴极材料,再进行电化学检测。X-光图谱和电化学检测如图5和图6所示;X-光图谱显示最后形成的粉末样品是具有结构的单相物质,这种物质呈现层状结构,电化学检测证明该物质具有良好的循环性,在循环30次后,每次循环只损失容量的0.1%。
实施例3:
用固态合成法(Solid State)方法合成的LiNi0.75Mg0.03Op(2.03≤P≤2.06)
0.22mol一个结晶水的氢氧化锂(分子重41.96)经研磨10分钟后制成精细的粉末,再把0.0066mol的氢氧化镁(分子重58.33)加入研磨过的一个结晶水的氢氧化锂中,续磨5分钟,然后加入0.165mol的氢氧化镍(分子重92.73)和0.055mol的氢氧化钴,研磨15-20分钟使其形成非常均匀的粉末;加入30ml的Acetone,经搅拌形成糊,再把形成的糊状粉末放入到坩锅中加热,热处理过程是在空气中进行的,温度控制在750℃,保温2小时,最后制成的粉末样品X-光检测;同时,把制成粉末样品做锂离子电池的阴极以进行电化学测试。
X-光检测和电化学测试结果分别放在图7和图8中,X-光检测结果显示最终热处理后样品是一种具有结构的单相物质,与实施例1中样品相同,电化学测试显示这种合成物质具有良好的循环性,每次循环的损失小于0.08%。
实施例4:
合成含Mg量不同的锂镍钴氧化物
按分子式(1)所规定的化学当量,称取相应量的LiOH、Co(OH)2、Mg(OH)2,经混合,研磨,灼烧后制成下列成份的化合物:
Li1.03Ni0.75Co0.25Mg0.03O2.06;
Li1.05Ni0.75Co0.25Mg0.05O2.10;
Li1.10Ni0.75Co0.25Mg0.10O2.2;
热处理过程是在空气炉中进行的,温度控制在750℃,保温8小时,升温与降温速度均为2℃/min,粉末是放在坩锅中加热的。
具有上述三种不同镁含量的物质经X-光检测,其X-光图谱如图9(a),9(b)和9(c)所示,X-光检测证明所合成的物质均具有结构的单相物质,上述事实说明二价镁阳离子占据的是过渡金属位置即锂的位置,因为锂阵点的位置数是与镍、钴及镁阵点位置总和等同的。
使用相同的工艺又合成了不同镁含量,而且有分子式(2)所规定的化学当量的三种锂镍钴氧化物;这三种材料的成份及化学式如下表所示。
表-2
X-光衍射证明上表中的每一种物质都具有结构的单相物质;其X-光图谱与实施例1中的图2完全一致。
活性物质成分 | LiOH(mol) | Ni-acetate(mol) | Co acetate(mol) | Mg(OH)2mol |
LiNi0.75Co0.25Mg0.05Op1 * | 0.1 | 0.075 | 0.025 | 0.005 |
LiNi0.75Co0.25Mg0.10Op * | 0.1 | 0.075 | 0.025 | 0.01 |
LiNi0.75Co0.25Mg0.20Op * | 0.1 | 0.075 | 0.025 | 0.02 |
比容量随冲放电循环次数的变化如图10所示,材料的比容量随着镁含量的升高而降低,但是所有材料的循环稳定性还是很好的,含0.05和0.10镁的样品,比容量每个循环只损失0.04%。
化学成份分析结果说明实际的成份含量与予期的基本一致。
实施例5
Li1.10Ni0.75Co0.25Mg0.10 O2.2的电化学性能
在本发明过程中,我们建造了一个由Li1.10Ni0.75Co0.25Mg0.10做阴极,碳或锂做阳极的电化学电池;这种电化学电池在几种条件下进行了测试,以考察本发明材料的电池或电化学性能。
在第一个试验中,被测电池的阳极是用CoKe制成的,充放电循环控制在3.1-4.4V,循环50次,电流密度采用0.50MA/cm2;图11显示的是这种电池的容量随循环次数的变化,由此图可见,本发材料具有很长的循环寿命,既使上限电位已达4.4V。
在第二试验中,锂取代CoKe做阳极,循环电位控制在3.1-4.6V,循环30次,电流密度采用0.50MA/Cm2。测试结果显示在12图中,由此图可见本发明的材料具有高压循环承受能力而容量几乎不损失。
在第三个试验中,锂选做阳极,循环在3.1-4.4V,次数增至100次,电流密度增加到2.0MA/Cm2,测试结果显示在13图中,由此图可见可容量损失还是很小,试验还显示充放电只在15-20min就可完成,这个充放电速率等同于一个4C的C-速度。本发明的材料具有如此好的电池性能是很寻常的,电流密度增加总伴随有容量的减小和循环性能的降低。
以上的实施例说明具有分子式(1)Li1+xNi1-yMgNxO2(1+x)的材料显示出优异的电池性能,这样的结论可推广至所有具有这种分子式的材料。
具有分子式(2)LiNi1-yMgOp的材料显示出良好的电化学性能;不过与分子式(1)的材料比,其性能有所下降,如图13所示。
Claims (4)
1、一种高能锂离子充电电池阴极材料,其特征是:具有R
3M结构并渗有(doping)二价阴离子的锂化的过渡金属氧化物,二价阴离子的渗杂量应限于所有过渡金属层中原子总数的1-25%,二价阴离子或原子在晶体点阵中排列在原先由镍、钴和镍/钴占据的位置。
2、跟据权利要求1所述的一种高能锂离子充电电池阴极材料,其特征是:该阴极材料优选于二价阴离子的渗杂量为所有过渡金属层中原子总数的3-15%。
3、根据权利要求1所述的一种高能锂离子充电电池阴极材料,其特征是:该渗杂的锂过渡金属氧化物包括下列两组材料:
Li1+xNi1-yMyNxO2(1+x)
和Li1Ni1-yMgNxOp
M代表一种或多种组合的过渡金属,其中有Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Al;N是一种第二主族元素,包括Mg、Ca、Sr、Ba、Zn。
如果M是Co或Mn,0≤Y≤1;
如果M是Ti、V、Cr、Fe,0≤y≤0.5;
如果M是Al,0≤y≤0.4;
如果N是Mg或Ca,0≤x≤0.25;
如果N是Sr、Ba、Zn,0≤x≤0.1;
这里2(1+x/2)≤p≤2(1+x)。
4、跟据权利要求1和3所述的一种高能锂离子充电电池阴极材料,其特征是:该阴极材料渗杂的锂过渡金属氧化物优选于锂镍氧化物、锂钴氧化物或锂镍钴氧化物,在上述的氧化物中,二价阴离子或原子在晶体点阵中排列在原先由镍、钴和镍/钴占据的位置;
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US20130273429A1 (en) * | 2011-02-28 | 2013-10-17 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Non-aqueous electrolyte secondary battery |
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CN103493260B (zh) * | 2011-02-28 | 2016-03-16 | 三洋电机株式会社 | 非水电解质二次电池及非水电解质二次电池用正极 |
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