CN1667865A - 锂二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂二次电池,其包括包含式1和/或式2所示的第一正极活性物质及式3所示的第二正极活性物质的正极,包含负极活性物质的负极;及电解液,其中在式1中,0.90≤a≤1.2,0.5≤b≤0.9,0<c<0.4,0≤d≤0.2;在式2中,0.90≤a≤1.2,0.5≤b≤0.9,0<c<0.4,0<d<0.4,0≤e≤0.2;在式3中,0.90≤a≤1.2,0≤b≤0.2;且在式1、2和3中,M是选自Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Sc,Y,Ti,Zr,Hf,Rf,V,Nb,Ta,Db,Cr,Mo,W,Sg,Tc,Re,Bh,Fe,Ru,Os,Hs,Rh,Ir,Pd,Pt,Cu,Ag,Au,Zn,Cd,B,Al,Ga,In,Tl,Si,Ge,Sn,P,As,Sb,Bi,S,Se,Te和Po中的至少一种。式1:LiaNibMncMdO2;式2:LiaNibCocMndMeO2;式3:LiaCoMbO2

Description

锂二次电池
                         技术领域
本发明涉及一种锂二次电池,更具体地,本发明涉及在室温和高温下具有改进的循环寿命和增强的安全性的锂二次电池。
                         背景技术
近来开发的使用有机电解液的锂二次电池具有如此高的能量密度特性,以至于其放电电压高达使用碱性水溶液的常规电池的两倍以上,并且随着电子设备使用的增加,其作为便携式小型电子设备电源的应用获得更多的动力。
锂二次电池主要采用能够嵌入锂离子的包括过渡金属和锂的锂化嵌入型化合物如LiCoo2、LiMn2O4和LiNi1-xCoxO2(0<x<1)作为正极活性物质。
然而,随着电子设备变得越来越小及其使用的增加,需要研究具有更高能量密度和更高容量的电池。因此,为开发出满足所有有利标准(如容量优异、成本低廉等)的电池,正在进行许多有关新的活性物质的研究,所述新的活性物质是通过混合至少具有一种优点的多种活性物质而形成的。然而,大多数结果证明不令人满意,给以后的研究工作留下许多挑战。
                            发明内容
为解决上述问题,本发明的一个方面是提供一种在室温和高温下具有改进的循环寿命和增强的安全性的锂二次电池,办法是采用包括一种以上正极活性物质的适当混合物的正极。
为实现这一方面和其它方面,本发明提供了一种锂二次电池,其包括正极,该正极包括式1和/或式2所示的第一正极活性物质,式3所示的第二正极活性物质;负极,该负极包括一种负极活性物质;及电解液。
式1
                         LiaNibMncMdO2
式中0.90≤a≤1.2,0.5≤b≤0.9,0<c<0.4,0≤d≤0.2;M是选自Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Sc,Y,Ti,Zr,Hf,Rf,V,Nb,Ta,Db,Cr,Mo,W,Sg,Tc,Re,Bh,Fe,Ru,Os,Hs,Rh,Ir,Pd,Pt,Cu,Ag,Au,Zn,Cd,B,Al,Ga,In,Tl,Si,Ge,Sn,P,As,Sb,Bi,S,Se,Te,和Po中的至少一种。
式2
                        LiaNibCocMnd1MeO2
式中0.90≤a≤1.2,0.5≤b≤0.9,0<c<0.4,0<d1<0.4,0≤e≤0.2;M是选自Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Sc,Y,Ti,Zr,O,Rf,V,Nb,Ta,Db,Cr,Mo,W,Sg,Tc,Re,Bh,Fe,Ru,Os,Hs,Rh,Ir,Pd,Pt,Cu,Ag,Au,Zn,Cd,B,Al,Ga,In,Tl,Si,Ge,Sn,P,As,Sb,Bi,S,Se,Te,和Po中的至少一种。
式3
                            LiaCoMb1O2
式中0.90≤a≤1.2和0≤b1≤0.2;M是选自Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Sc,Y,Ti,Zr,Hf,Rf,V,Nb,Ta,Db,Cr,Mo,W,Sg,Tc,Re,Bh,Fe,Ru,Os,Hs,Rh,Ir,Pd,Pt,Cu,Ag,Au,Zn,Cd,B,Al,Ga,In,Tl,Si,Ge,Sn,P,As,Sb,Bi,S,Se,Te,和Po中的至少一种。
                            附图说明
结合附图,并参照下面的详细说明,不仅可以更完整地评价本发明,而且可以明显地看出和理解伴随本发明的许多优点,在附图中:
图1是根据本发明一个实施方式的锂二次电池的示意图;
图2图示了为分析本发明的锂二次电池的正极而使用的电极采样部分;
图3是根据本发明实施例12的正极中的第一正极活性物质的SEM照片;
图4和图5是第一正极活性物质的EDX分析结果的曲线图,其是采用本发明实施例12的正极制得的锂二次电池在进行标准形成充电之后测量的;
图6是根据本发明实施例12的正极的第二正极活性物质的SEM照片;及
图7和图8是第二正极活性物质的EDX分析结果的曲线图,其是采用本发明实施例12的正极制得的锂二次电池在进行标准形成充电之后测量的。
                            具体实施方式
本发明通过使用一种以上的正极活性物质的混合物,提供一种在室温和高温下具有优异循环寿命和突出安全性以及增加的容量的锂二次电池。
通常,对电池的基本要求是良好的容量,高温循环寿命,室温循环寿命,以及穿透(penetration)与过充电穿透时的安全性。已经就符合这些要求的电池的开发进行了大量的研究,却发现现有技术在这些方面有局限。
由于容量最高,LiCoO2广泛地用作正极活性物质。然而,由于LiCoO2不仅价格太昂贵,而且不能满足近来对具备更高容量电池的日益增长的需求,所以研究陡然地转向镍基正极活性物质,其是具有比LiCoO2更大理论容量的潜在的正极活性物质。
然而,由金属镍和锂构成的镍基正极活性物质,例如LiNiO2,表现出较差的循环寿命特性。为改善循环寿命特性,本发明提供一种如式1或2所示的新的第一正极活性物质,其是通过添加少量的钴或锰,以用钴或锰部分地取代镍而得到的。
式1
                        LiaNibMncMdO2
式中0.90≤a≤1.2,0.5≤b≤0.9,0<c<0.4,0≤d≤0.2,且d优选为0.001≤d≤0.2;M是选自Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Sc,Y,Ti,Zr,Hf,Rf,V,Nb,Ta,Db,Cr,Mo,W,Sg,Tc,Re,Bh,Fe,Ru,Os,Hs,Rh,Ir,Pd,Pt,Cu,Ag,Au,Zn,Cd,B,Al,Ga,In,Tl,Si,Ge,Sn,P,As,Sb,Bi,S,Se,Te,和Po中的至少一种物质。
式2
                        LiaNibCocMnd1MeO2
式中0.90≤a≤1.2,0.5≤b≤0.9,0<c<0.4,0<d1<0.4,0≤e≤0.2,且e优选为0.001≤e≤0.2;M是选自Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Sc,Y,Ti,Zr,Hf,Rf,V,Nb,Ta,Db,Cr,Mo,W,Sg,Tc,Re,Bh,Fe,Ru,Os,Hs,Rh,Ir,Pd,Pt,Cu,Ag,Au,Zn,Cd,B,Al,Ga,In,Tl,Si,Ge,Sn,P,As,Sb,Bi,S,Se,Te,和Po中的至少一种。
该镍基第一活性物质具有更高的理论容量,但它具有会导致有效物质(包括活性物质、粘合剂和导电剂,并且形成于集电体上)密度减小的球形。所以,该镍基第一活性物质的实际容量低于理论容量。因而,在本发明中,使用式3所示的第二活性物质作为第二活性物质,以更多地增加容量。
式3
LiaCoMb1O2
式中0.90≤a≤1.2,0≤b1≤0.2,且b1优选为0.001≤b1≤0.2;M是选自Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Sc,Y,Ti,Zr,Hf,Rf,V,Nb,Ta,Db,Cr,Mo,W,Sg,Tc,Re,Bh,Fe,Ru,Os,Hs,Rh,Ir,Pd,Pt,Cu,Ag,Au,Zn,Cd,B,Al,Ga,In,Tl,Si,Ge,Sn,P,As,Sb,Bi,S,Se,Te,和Po中的至少一种。
将电极中除了集电体以外的所有组分(即活性物质、导电剂和粘合剂)的总质量除以它们的体积,确定为电极的有效物质密度。因为每单位体积(即每单位厚度,假定电极的面积恒定)活性物质的量降低,所以低有效物质密度导致低的电池容量。就是说,仅有本发明中式1和式2所示的第一活性物质不能获得高容量特性,尽管具有高的理论容量,但是由于其有效物质密度低,所以仅能实现与LiCoO2相似的实际容量。
因此,引入式3所示的另一正极活性物质,通过增加有效物质的密度,进而解决上述问题。通过与第一正极活性物质的协同,第二正极活性物质能成功地帮助提供一种在常温和高温下具有高循环寿命且具有优异安全性的电池。
第一正极活性物质的例子优选为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2,LiNi0.8Co0.15Mn0.05O2,LiNi0.8Co0.05Mn0.15O2,LiNi0.7Co0.1Mn0.1O2,LiNi07Co0.2Mn0.1O2,LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2,LiNi0.7Co0.05Mn0.25O2,LiNi0.7Co0.25Mn0.05O2,LiNi0.6Co0.3Mn0.1O2,LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2,LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2,LiNi0.8Mn0.2O2,LiNi0.7Mn0.3O2,或LiNi0.6Mn0.4O2。第二正极活性物质优选为LiCoO2。也就是说,优选使用第二正极活性物质LiCoO2和第一活性物质的混合物,该第一活性物质选自LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2,LiNi0.8Co0.15Mn0.05O2,LiNi0.8Co0.05Mn0.15O2,LiNi0.7Co0.1Mn0.2O2,LiNi0.7Co0.2Mn0.1O2,LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2,LiNi0.7Co0.05Mn0.25O2,LiNi0.7Co0.25Mn0.05O2,LiNi0.6Co0.3Mn0.1O2,LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2,LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2,LiNi0.8Mn0.2O2,LiNi0.7Mn0.3O2,或LiNi0.6Mn0.4O2
只有当使用上述的第一和第二正极活性物质的混合物时,才能达到如上所述的本发明的协同效果。除非是式3所示的活性物质,其它具有与第二正极活性物质相似颗粒形状的活性物质不能达到相同的协同效果。而且,只有当两种物质以恰当比例混合时才能使协同效果最大化。第一和第二物质的混合物的比例优选为90~30∶10~70重量比,且更优选为90~40∶10~60重量比。
美国专利第6379842号公开了使用以下物质的物理混合物作为正极活性物质:LixNiyCozMnO2,式中0≤x≤1,y+z+n=1,0≤n≤0.25,0≤y,0≤z,0≤z/y≤1/3,M选自Al、Ti、W、Cr、Mo、Mg、Ta、Si及其混合物中的一种;和LixMn2-rMlrO4,式中0≤x≤1,M1选自Cr、Ti、W、Ni、Co、Fe、Sn、Zn、Zr、Si及其混合物中的一种,但是该混合物无法在高温下获得良好的循环寿命。本发明的混合的正极活性物质不仅不同于该美国专利的混合物,还在高温下成功地获得了改进的循环寿命。因此,可以充分理解到本发明不能轻易地从这篇美国专利导出。
美国专利第5429890号公开了LixMn2O4(0<x≤2)与LixNiO2(0<x≤2)或LixCoO2(0<x≤2)之一的混合正极活性物质的应用。这里,LixMn2O4(0<x≤2)用作主要材料,而LixNiO2(0<x≤2)与LixCoO2(0<x≤2)之一混合到主要材料中。然而,该正极活性物质也不能在高温下成功获得良好的循环寿命。因此,本发明相对于上面的美国专利是不可预料的并且是非显而易见的,这可以为相关领域的技术人员所理解。另外,在上面的美国专利中,LixMn2O4与LixNiO2或LixCoO2之一以接近1∶1的比例混合。LixMn2O4相对过量,这导致在高温下电池容量和循环寿命降低,因为LixMn2O4的固有容量低。
同样地,为了制造改进的电池,在正极活性物质的制备中本发明包括两种不同材料的混合物。本发明的包括第一和第二活性物质的正极活性物质是在电池充电和放电(电池性能测定)之后,通过SEM-EDX测量方法验证的。如图2所示,SEM-EDX是在充过电和放过电的电池被拆解并经预处理之后,对采集于中央部分的样品进行测量,因为电极的表面性质可以根据所选择的电极部分(例如,电极的边缘或折叠部分)而改变。换言之,SEM-EDX分析是针对电极中央的60%进行的,在长度方向上排出各边的20%,且在宽度方向上也排出各边的20%。另外,在卷曲过程中形成的折叠部分,即使其属于所选定的60%的中央部分,但是也应当排除在外。从电极中央60%的部分取得宽度为1~5厘米、长度为1~53厘米的小片作为样品。在SEM-EDX测量之前,将该样品在碳酸二甲酯溶剂中浸渍预定时间,并且在40℃的温度及10.0~1×10-6托的真空压力下干燥一定时间。
所述充电和放电是在现有技术中称之为形成操作和标准操作的条件下进行的。即,在充电速率优选为0.1~2.0C、更优选为0.2~1.5C,及放电速率优选为0.1~2.0C、更优选为0.2~1.5C的条件下,进行充电和放电。基于面积的充电电流密度为0.1~5.0mA/cm3,优选为0.2~4.0mA/cm3;基于面积的放电电流密度为0.1~5.0mA/cm3,优选为0.2~4.0mA/cm3。充电和放电循环优选进行1~300次,更优选进行1~99次。充电和放电之后,电池呈充过电或放过电的状态,或者成正在充电和正在放电的状态。而且,该电池在充电和放电之后具有1.0~5.5V、优选1.5~4.5V的OCV(开路电压)。
除了第一和第二正极活性物质以外,本发明的正极通常还包括用于在正极上产生导电性的导电剂。就导电剂而言,可以使用锂二次电池中用作导电剂的任何材料,例如,炭黑,碳纳米管,碳纤维,石墨,石墨纤维,导电聚合物如聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯,或者金属粉末或金属纤维如铜、镍、铝等。
另外,本发明的正极包括将正极活性物质颗粒彼此粘结并将其粘结在集电体粘上的粘合剂。至于粘合剂,可以使用制造锂二次电池时常用的任何材料,例如,苯乙烯-丁二烯橡胶,聚乙烯醇,羧甲基纤维素,羟丙烯纤维素,丁二炔纤维素,聚氯乙烯,聚乙烯基吡咯烷酮,聚四氟乙烯,聚偏二氟乙烯,聚乙烯,聚丙烯等。
本发明的负极包括能够可逆地嵌入和脱出锂离子的负极活性物质。结晶的或无定形的碳基材料均可用作负极活性物质。优选为在X射线衍射中具有至少20nm的Lc(结晶尺寸)并在700℃或更高温度下出现放热峰的结晶碳。结晶碳优选通过碳化中间相球形颗粒并对碳化的物质进行石墨化操作制备的碳质材料,或通过碳化中间相沥青纤维并对碳化的物质进行石墨化操作制备的石墨纤维。
本发明的可再充电锂电池还包括含有非水有机溶剂和锂盐的电解液。
锂盐溶解于有机溶剂中,充当锂离子支撑源,其有助于电池的运行,并使锂离子容易迁移。锂盐包括支撑一种或两种材料的电解质盐,并且选自LiPF6,LiBF4,LiSbF6,LiAsF6,LiCF3SO3,LiN(CF3SO2)3,Li(CF3SO2)2N,LiC4F9SO3,LiClO4,LiAlO4,LiAlCl4,LiN(CxF2x+1SO2)(CxF2y+1SO2)(式中x和y是自然数),LiCl,LiI,及二草酸根合硼酸锂(lithium bisoxalate borate)。合适的锂盐浓度为0.1~2.0M。当锂盐的浓度低于0.1M时,电解液的导电性下降,从而电解液的性能恶化。当锂盐的浓度高于2.0M时,电解液的粘度增加,导致锂离子的移动性降低。
非水有机溶剂充当传递参与电化学反应的离子的介质。非水有机溶剂包括选自下列中的一种或至少两种:苯,甲苯,氟苯,1,2-二氟苯,1,3-二氟苯,1,4-二氟苯,1,2,3-三氟苯,1,2,4-三氟苯,氯苯,1,2-二氯苯,1,3-二氯苯,1,4-二氯苯,1,2,3-三氯苯,1,2,4-三氯苯,碘苯,1,2-二碘苯,1,3-二碘苯,1,4-二碘苯,1,2,3-三碘苯,1,2,4-三碘苯,氟代甲苯,1,2-二-氟甲苯,1,3-二氟甲苯,1,4-二氟甲苯,1,2,3-三氟甲苯,1,2,4-三氟甲苯,氯甲苯,1,2-二氯甲苯,1,3-二氯甲苯,1,4-二氯甲苯,1,2,3-三氯甲苯,1,2,4-三氯甲苯,碘甲苯,1,2-二碘甲苯,1,3-二碘甲苯,1,4-二碘甲苯,1,2,3-三碘甲苯,1,2,4-三碘甲苯,R-CN(式中R是C2~C50直链、支链或环状的烃基,并且可以包括双键、芳香环或醚基),二甲基甲酰胺,乙酸二甲酯,二甲苯,环己烷,四氢呋喃,2-甲基四氢呋喃,环己酮,乙醇,异丙醇,碳酸二甲酯,碳酸乙甲酯,碳酸二乙酯,碳酸甲丙酯,丙酸甲酯,丙酸乙酯,乙酸甲酯,乙酸乙酯,乙酸丙酯,二甲氧基乙烷,1,3-二氧戊环,二甘醇二甲醚,四甘醇二甲醚,碳酸亚乙酯,碳酸亚丙酯,γ-丁内酯,环丁砜,戊内酯,癸内酯,甲羟戊内酯(mevalolactone),或者它们的混合物。当使用一种以上前述的有机溶剂的混合物时,其混合比可以根据所需的电池容量而适当地调整,这是本领域的技术人员能够理解的。
图1示出了按如上所述构建的锂二次电池的一个实例。如图1所示,本发明的锂二次电池包括正极3,负极2,置于正极3和负极2之间的隔板4,浸渍于正极3、负极2和隔板4中的电解液,圆柱形电池壳5,及密封电池壳5的密封件6。图1举例说明圆柱型电池的结构,但本发明并不局限于此,其可以是任意形状,例如棱形电池或者袋形电池。
下面的实施例进一步详细描述本发明。然而,应当理解到本发明并不为这些实施例所限。
实施例1~16
根据表1所示的组成比,使用LiNi0.8Mn0.2O2或LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2作为第一正极活性物质,LiCoO2作为第二正极活性物质,制备混合的正极活性物质。然后,以94∶3∶3的重量比,将所述混合的正极活性物质、用作粘合剂的聚偏二氟乙烯和用作导电剂的super-P混合于N-甲基吡咯烷酮溶剂中,制得正极活性物质浆料。下一步,将该浆料涂布到铝集电体上,并在干燥之后,通过压制,制得正极。
对比例1~7
按与实施例1中相同的方法制备正极,所不同的是,单独使用LiCoO2,LiNiO2,LiMn2O4 ,LiNi0.8Co0.2O2,LiNi0.8Co0.2O2,LiCo0.8Mn0.2O2或LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2作为正极活性物质,如表1所示。
对比例8~27
按与实施例1中相同的方法制备正极,所不同的是,使用LiCoO2,LiNiO2,LiNi0.8Co0.2O2,或LiCo0.8Mn0.2O2作为第一正极活性物质,并使用LiMn2O4或LiCoO2作为第二正极活性物质,如表1所示。
然后,利用在实施例1~16和对比例1~27中制备的各个正极和负极,制备厚度为46mm、宽度为34mm、长度为50mm的棱形电池。该负极是通过干燥和压制涂有浆料的铜集电体制备的。所述负极活性物质浆料是通过混合重量比为94∶6的碳负极活性物质和作为粘合剂的聚偏二氟乙烯于N-甲基吡咯烷酮溶剂中而制备的。所用的电解液为1.0M的LiPF6于混合溶剂中的溶液,所述混合溶剂是体积比为3∶3∶4的碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的混合溶剂。
电池特性评价
对每个制造好的电池以0.2C充电和以0.2C放电一次(形成过程),并且还以0.5C充电和以0.2C放电一次(标准过程)。测量第一次标准过程的放电量并以容量表示在表1和2中。
另外,在室温下以1.0C充电和1.0C放电300个循环之后的循环寿命试验结果也示于表1和表2中。在60℃下以1.0C充电和1.0C放电300个循环之后的高温循环寿命试验结果同样示于表1和表2中。而且,在4.2V下对制造好的电池充电之后和在4.35 V下对其过充电之后的两种不同的穿透试验结果也示于表1和表2中。在表1和2中,R.T表示室温,H.T表示高温(60℃)。
                                    表1
           正极活性物质 混合比(重量比)          容量   增加的电池容量(%)       第300次循环寿命 穿透     过充电后的穿透
第一 第二     正极(mAh/g)    电池(mAh)    R.T(%)    H.T(%)
    对比例1 iCoO2   -     -     -     140     780     0     86     83     未燃烧     未燃烧
    对比例2 LiNiO2   -     -     -     180     780     0     52     45     燃烧     燃烧
    对比例3 LiMn2O4   -     -     -     100     700     -10     87     30     未燃烧     未燃烧
    对比例4 LiNi0.8Co0.2O2   -     -     -     180     780     0     73     76     燃烧     燃烧
    对比例5 LiNi0.8Mn0.2O2   -     -     -     170     780     0     76     77     未燃烧     未燃烧
    对比例6 LiCo0.8Mn0.2O2   -     -     -     120     740     -5     80     76     未燃烧     未燃烧
    对比例7 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2   -     -     -     180     780     0     80     75     未燃烧     未燃烧
    对比例8 LiCoO2   LiMn2O4     80     20     132     764     -2     83     53     未燃烧     未燃烧
    对比例9 LiNiO2   LiMn2O4     80     20     164     828     6     60     51     燃烧     燃烧
    对比例10 LiNi0.8Co0.2O2   LiMn2O4     80     20     164     828     6     75     50     燃烧     燃烧
    对比例11 LiNi0.8Mn0.2O2 LiMn2O4 80 20 164 828 6 73 48     未燃烧     未燃烧
    对比例12 LiNiO2   LiCoO2     90     10     176     852     9     53     50     燃烧     燃烧
    对比例13 LiNiO2   LiCoO2     80     20     172     844     8     55     54     燃烧     燃烧
    对比例14 LiNiO2   LiCoO2     70     30     168     836     7     59     58     燃烧     燃烧
    对比例15 LiNiO2   LiCoO2     60     40     164     828     6     62     60     燃烧     燃烧
    对比例16 LiNiO2   LiCoO2     50     50     160     820     5     67     66     燃烧     燃烧
    对比例17 LiNiO2   LiCoO2     40     60     156     812     4     70     69     燃烧     未燃烧
    对比例18 LiNiO2   LiCoO2     30     70     152     804     3     76     74     燃烧     未燃烧
    对比例19 LiNiO2   LiCoO2     20     80     148     796     2     82     77     未燃烧     未燃烧
    对比例20 LiNi0.8Co0.2O2   LiCoO2     90     10     176     852     9     74     70     燃烧     燃烧
    对比例21 LiNi0.8Co0.2O2   LiCoO2     80     20     172     844     8     75     72     燃烧     燃烧
                                     表2
           正极活性物质 混合比(重量比)             容量 增加的电池容量(%)      第300次循环寿命 穿透 过充电后的穿透
第一 第二 正极活性物质(mAh/g)    电池(mAh)    R.T.(%)   H.T.(%)
对比例22  LiNi0.8Co0.2O2  LiCoO2 70  30     168     836     7     75     71 燃烧 燃烧
对比例23  LiNi0.8Co0.2O2  LiCoO2 60  40     164     828     6     76     72 燃烧 燃烧
对比例24  LiNi0.8Co0.2O2  LiCoO2 50  50     160     820     5     79     73 燃烧 燃烧
对比例25  LiNo0.8Co0.2O2  LiCoO2 40  60     156     812     4     81     75 燃烧 未燃烧
对比例26  LiNi0.8Co0.2O2  LiCoO2 30  70     152     804     3     82     78 燃烧 未燃烧
对比例27  LiNi0.8Co0.2O2  LiCoO2 20  80     148     796     2     74     80 未燃烧 未燃烧
实施例1  LiNi0.8Mn0.2O2  LiCoO2 90  10     167     834     7     75     71 未燃烧 未燃烧
实施例2  LiNi0.8Mn0.2O2  LiCoO2 80  20     164     828     6     75     73 未燃烧 未燃烧
实施例3  LiNi0.8Mn0.2O2  LiCoO2 70  30     161     822     5     77     73 未燃烧 未燃烧
实施例4  LiNi0.8Mn0.2O2  LiCoO2 60  40     158     816     5     78     74 未燃烧 未燃烧
实施例5  LiNi0.8Mn0.2O2  LiCoO2 50  50     155     810     4     79     75 未燃烧 未燃烧
实施例6  LiNi0.8Mn0.2O2  LiCoO2 40  60     152     804     3     80     76 未燃烧 未燃烧
实施例7  LiNi0.8Mn0.2O2  LiCoO2 30  70     149     798     2     81     78 未燃烧 未燃烧
实施例8  LiNi0.8Mn0.2O2  LiCoO2 20  80     146     792     2     75     80 未燃烧 未燃烧
实施例9  LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2  LiCoO2 90  10     176     852     9     76     71 未燃烧 未燃烧
实施例10  LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2  LiCoO2 80  20     172     844     8     76     72 未燃烧 未燃烧
实施例11  LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2  LiCoO2 70  30     168     836     7     77     73 未燃烧 未燃烧
实施例12  LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2  LiCoO2 60  40     164     828     6     78     74 未燃烧 未燃烧
实施例13  LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2  LiCoO2 50  50     160     820     5     78     76 未燃烧 未燃烧
实施例14  LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2  LiCoO2 40  60     156     812     4     80     78 未燃烧 未燃烧
实施例15  LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2  LiCoO2 30  70     152     804     3     82     79 未燃烧 未燃烧
实施例16  LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2  LiCoO2 20  80     148     796     2     85     81 未燃烧 未燃烧
如表1和表2所示,根据实施例1~16使用LiNi0.8Mn0.2O2或LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2作为第一正极活性物质,LiCoO2作为第二正极活性物质制备的每个电池在室温和高温下循环300次以后的循环寿命试验中均保持了70%以上的容量,并且也证明优异的正极活性物质容量和电池容量。同样,由于实施例1~16中的每个电池在穿透和过充电试验中没有燃烧,因此也确定它们均是安全的。所以,由燃烧试验结果,可以证实实施例1~16中的电池在高温和正常温度下具备优异的安全性和循环寿命特性。
另外,上述实施例中的所有电池均表现出在室温和高温超过70%的循环寿命和在正常充电后的穿透和过充电后的穿透中未燃烧的安全性。在容量方面,包括根据实施例1~5和9~13以90~50∶10~50的重量比混合第一和第二正极活性物质制备的正极活性物质的电池证实是突出的,但是本发明中具备最佳容量的电池证明是根据实施例1~3和9~11的电池,其包括以90~70∶10~30的重量比混合第一和第二正极活性物质而制备的正极活性物质。
相反,根据对比例1仅使用LiCoO2作为正极活性物质所构成的电池获得比实施例1~16中的电池更低的正极活性物质容量和更低的电池容量。同样,根据对比例2仅使用具有高正极活性物质容量的LiCoO2作为正极活性物质所构成的电池获得降低到52%和45%循环寿命,并且在正常充电后的穿透和过充电后的穿透试验中燃烧,也不具备安全性。另一个根据对比例3仅使用LiMn2O4作为正极活性物质所构成的电池并没有证明具有优异的正极活性物质容量、电池容量和高温循环寿命特性。
而且,与根据实施例3用LiCoO2构成的电池相比,根据对比例4,为改善容量和循环寿命,使用通过在LiNiO2中用Co替换部分Ni所制备的LiNi0.8Co0.2O2作为正极活性物质所构成的电池并没有表现出增加的电池容量,其仅仅表现出增加的正极活性物质容量,并且在正常充电后的穿透和过充电后的穿透试验中燃烧,也不具备安全性。用LiNi0.8Co0.2O2构成的电池仅在正极活性物质容量上表现出了增加而不是在电池容量上,其原因在于该正极活性物质在由这种物质所制备的电极中不产生更高的有效物质密度。在对比例5~7中发现相同的结果,其中使用了通过用Mn或Co与Mn取代LiNiO2中的部分Ni所制备的正极活性物质。换句话说,这些实施例中的电池除了正极活性物质容量本身增加外,在电池容量方面并无优势,因为在电极中其3.3g/cc的有效物质密度,低于用LiCoO2制备的电极中3.65g/cc的有效物质密度,从而它们的电池容量仅能维持在与对比例1中用LiCoO2的电池容量相同的水平。对比例6中使用以Mn取代LiCoO2中的部分Co而形成的LiCo0.8Mn0.2O2作为正极活性物质,结果形成具有与对比例1相比降低的正极活性物质和电池容量的电池。
另外,对比例8中使用了LiCoO2和LiMn2O4的混合物,结果形成具有比单独使用LiCoO2更低的电池容量的电池。对比例9中使用了LiNiO2和LiMn2O4的混合物,结果形成具有比使用LiCoO2的电池更高的电池容量的电池,但是该电池在常温和高温下分别只得到循环寿命额定值的60和51%,且在正常充电后的穿透和过充电后的穿透试验中燃烧,也不能具备安全性。同样,对比例10~11中LiMn2O4混有具有分层结构的物质如LiNi0.8Mn0.2O2和LiNi08Co0.1Mn0.1O2,得到与对比例8~9中的电池相比具有增加的电池容量和正极活性物质容量的电池,但是它们在常温和高温下并没有获得良好的循环寿命特性,就安全性而言,其在正常充电后的穿透和过充电后的穿透试验中燃烧。
电极的分析结果
对根据实施例12制造的电池的两个电极均进行SEM-EDX分析,所述电池在形成评价和标准评价后进行拆解。如图2所示,因为在组装电池后电极表面性质可能根据电极的结构(边或折叠部分)而发生改变,因此将电极的一部分取样用于SEM-EDX分析,即电极中央的60%部分被取样用于SEM-EDX分析,排除从给定电极的100%的长度和宽度方向上四个边的每一个20%。另外,尽管线圈的折叠部分属于所取样中央的60%部分,但是也要排除。
再次从电极中央的60%部分取样测量5厘米长3厘米宽的部分电极,并将其在容纳于200m1烧杯中的150ml碳酸二甲酯溶剂中浸渍5分钟。然后,在测量SEM-EDX之前,将该电极样品在1×10-4托的真空压力和40℃的温度下干燥若干小时。图3为强调第一正极活性物质LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的SEM照片,图6为强调第二正极活性物质LiCoO2的SEM照片。图3中的未破裂部分是第二正极活性物质,图6中的破裂部分是第一正极活性物质。另外,图4和5示出第一正极活性物质LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2部分的EDX结果,图7和8示出LiCoO2第二正极活性物质部分的EDX结果。
另一方面,图3和6示出两个电极中的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2和LiCoO2均以与图4,5,7和8中不同的形状混合,即LiCoO2保持大块颗粒形状且LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2显示了由于压制产生的加压和破裂的颗粒形状。LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2由经过1~2μm的初级颗粒的聚集而形成的二级颗粒组成,因此这些二级颗粒在电极的压制中被挤压并破裂。对加压部分的分析显示了Ni,Co,和Mn三种成分,示于图4和5中。另一方面,对LiCoO2颗粒的分析显示了只有Co,因为LiCoO2在压制后保持其形状(图7和8)。因此,电极的SEM-EDX结果显示了混合的活性物质成分。
总之,本发明使用了以合适的比例混合镍基和钴基化合物形成的正极活性物质的锂二次电池增加了2~9%的容量,且也获得在常温和高温下的良好循环寿命以及在正常充电之后的穿透和过充电之后的穿透试验中的安全性。

Claims (25)

1.一种锂二次电池,包括:
正极,该正极包括式1和式2所示的第一正极活性物质,和式3所示的第二正极活性物质;
负极,该负极包括负极活性物质;及
电解液,
式1
LiaNibMncMdO2
式中0.90≤a≤1.2,0.5≤b≤0.9,0<c<0.4,0≤d≤0.2,M是选自Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Sc,Y,Ti,Zr,Hf,Rf,V,Nb,Ta,Db,Cr,Mo,W,Sg,Tc,Re,Bh,Fe,Ru,Os,Hs,Rh,Ir,Pd,Pt,Cu,Ag,Au,Zn,Cd,B,Al,Ga,In,Tl,Si,Ge,Sn,P,As,Sb,Bi,S,Se,Te,和Po中的至少一种,
式2
LiaNibCocMnd1MeO2
式中0.90≤a≤1.2,0.5≤b≤0.9,0<c<0.4,0<d1<0.4,0≤e≤0.2,M是选自Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Sc,Y,Ti,Zr,Hf,Rf,V,Nb,Ta,Db,Cr,Mo,W,Sg,Tc,Re,Bh,Fe,Ru,Os,Hs,Rh,Ir,Pd,Pt,Cu,Ag,Au,Zn,Cd,B,Al,Ga,In,Tl,Si,Ge,Sn,P,As,Sb,Bi,S,Se,Te,和Po中的至少一种,
式3
LiaCoMb1O2
式中0.90≤a≤1.2,0≤b1≤0.2,M是选自Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Sc,Y,Ti,Zr,Hf,Rf,V,Nb,Ta,Db,Cr,Mo,W,Sg,Tc,Re,Bh,Fe,Ru,Os,Hs,Rh,Ir,Pd,Pt,Cu,Ag,Au,Zn,Cd,B,Al,Ga,In,Tl,Si,Ge,Sn,P,As,Sb,Bi,S,Se,Te,和Po中的至少一种。
2.根据权利要求1的锂二次电池,其中所述第一正极活性物质和第二正极活性物质以90~30∶10~70的重量比混合。
3.根据权利要求2的锂二次电池,其中所述第一正极活性物质和第二正极活性物质以90~40∶10~60的重量比混合。
4.根据权利要求1的锂二次电池,其中所述第一正极活性物质为选自LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2,LiNi0.8Co0.15Mn0.05O2,LiNi0.8Co0.05Mn0.15O2,LiNi0.7Co0.1Mn0.2O2,LiNi0.7Co0.2Mn0.1O2,LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2,LiNi0.7Co0.05Mn0.25O2,LiNi0.7Co0.25Mn0.05O2,LiNi0.6Co0.3Mn0.1O2,LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2,LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2,LiNi0.8Mn0.2O2,LiNi0.7Mn0.3O2,和LiNi0.6Mn0.4O2中的至少一种。
5.根据权利要求1的锂二次电池,其中所述第二正极活性物质是LiCoO2
6.根据权利要求1的锂二次电池,其中在所述式1中,0.001≤d≤0.2。
7.根据权利要求1的锂二次电池,其中在所述式2中,0.001≤e≤0.2。
8.根据权利要求1的锂二次电池,其中在所述式3中,0.001≤b1≤0.2。
9.根据权利要求1的锂二次电池,其中所述负极活性物质选自能够可逆地嵌入和脱出锂离子的石墨碳质材料,锂金属,含锂合金,或能够形成含锂化合物的材料。
10.根据权利要求9的锂二次电池,其中所述石墨碳质材料在X射线衍射中具有至少20nm的Lc(微晶尺寸),并在700℃或更高温度下出现放热峰。
11.根据权利要求9的锂二次电池,其中所述石墨碳质材料为结晶碳材料,其是通过碳化中间相球形颗粒并石墨化所碳化的材料而制备的;或者为石墨纤维,其是通过碳化中间相沥青纤维并石墨化所碳化的材料而制备的。
12.根据权利要求9的锂二次电池,其中所述电解液包含至少一种选自下列的有机溶剂:苯,甲苯,氟苯,1,2-二氟苯,1,3-二氟苯,1,4-二氟苯,1,2,3-三氟苯,1,2,4-三氟苯,氯苯,1,2-二氯苯,1,3-二氯苯,1,4-二氯苯,1,2,3-三氯苯,1,2,4-三氯苯,碘苯,1,2-二碘苯,1,3-二碘苯,1,4-二碘苯,1,2,3-三碘苯,1,2,4-三碘苯,氟代甲苯,1,2-二氟甲苯,1,3-二氟甲苯,1,4-二氟甲苯,1,2,3-三氟甲苯,1,2,4-三氟甲苯,氯代甲苯,1,2-二氯甲苯,1,3-二氯甲苯,1,4-二氯甲苯,1,2,3-三氯甲苯,1,2,4-三氯甲苯,碘代甲苯,1,2-二碘甲苯,1,3-二碘甲苯,1,4-二碘甲苯,1,2,3-三碘甲苯,1,2,4-三碘甲苯,R-CN(式中R是C2到C50直链、支链或环状的烃基,并且可包括双键、芳香环或醚基),二甲基甲酰胺,乙酸二甲酯,二甲苯,环己烷,四氢呋喃,2-甲基四氢呋喃,环己酮,乙醇,异丙醇,碳酸二甲酯,碳酸甲乙酯,碳酸二乙酯,碳酸甲丙酯,丙酸甲酯,丙酸乙酯,乙酸甲酯,乙酸乙酯,乙酸丙酯,二甲氧基乙烷,1,3-二氧戊环,二甘醇二甲醚,四甘醇二甲醚,碳酸亚乙酯,碳酸亚丙酯,γ-丁内酯,环丁砜,戊内酯,癸内酯和甲羟戊内酯。
13.根据权利要求1的锂二次电池,其中所述电解液包含选自下列中的至少一种:六氟磷酸锂(LiPF6),四氟硼酸锂(LiBF4),六氟砷酸锂(LiAsF6),高氯酸锂(LiClO4),三氯甲磺酸锂(CF3SO3Li),双(三氟甲基)磺酰亚胺化锂(LiN(SO2CF3)2),双(全氟乙基磺酰基)亚胺化锂(LiN(SO2C2F5)2),及二草酸根合硼酸锂。
14.根据权利要求1的锂二次电池,其中所述电解液包含浓度0.1~2.0M的支撑盐。
15.根据权利要求1的锂二次电池,其中作为在电池充电和放电之后拆解的正极的SEM-EDX测量结果,所述第一正极活性物质出现Ni,Co和Mn的峰,所述第二正极活性物质出现Co的峰,或者所述第一正极活性物质出现Ni和Mn的峰,而所述第二正极活性物质出现Co的峰。
16.根据权利要求15的锂二次电池,其中所述充电和放电是在0.1~2.0C的充电速率和0.1~2.0C的放电速率下进行的。
17.根据权利要求16的锂二次电池,其中所述充电和放电是在0.2~1.5C的充电速率和0.2~1.5C的放电速率下进行的。
18.根据权利要求15的锂二次电池,其中所述充电和放电是在0.1~5.0mA/cm3的充电电流密度和0.1~5.0mA/cm3的放电电流密度下进行的。
19.根据权利要求18的锂二次电池,其中所述充电和放电是在0.2~4.0mA/cm3的充电电流密度和0.2~4.0mA/cm3的放电电流密度下进行的。
20.根据权利要求15的锂二次电池,其中所述充电和放电进行1~300次。
21.根据权利要求20的锂二次电池,其中所述充电和放电进行1~99次。
22.根据权利要求15的锂二次电池,其中所述电池在充电和放电之后呈充完电或放完电的状态。
23.根据权利要求20的锂二次电池,其中所述电池在充电和放电之后呈正在充电或正在放电的状态。
24.根据权利要求20的锂二次电池,其中所述电池在充电和放电后具有1.0~5.5V的开路电压(OCV)。
25.根据权利要求24的锂二次电池,其中所述电池在充电和放电后具有1.5~4.5V的开路电压(OCV)。
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