TW201232898A - Process for producing electrode materials - Google Patents

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TW201232898A
TW201232898A TW100133820A TW100133820A TW201232898A TW 201232898 A TW201232898 A TW 201232898A TW 100133820 A TW100133820 A TW 100133820A TW 100133820 A TW100133820 A TW 100133820A TW 201232898 A TW201232898 A TW 201232898A
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TW
Taiwan
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mixed oxide
electrode material
group
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present
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TW100133820A
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English (en)
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Martin Schulz-Dobrick
Bastian Ewald
Jordan Keith Lampert
Original Assignee
Basf Se
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Description

201232898 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種製造電極材料之方法,其包括以每分 子具有至少一烷氧基或至少一 _素原子之至少一硼化合物 處理包含作為陽離子之Li及至少一過渡金屬之混合氧化 物。 本發明進一步係關於可由本發明之方法獲得之電極材 料、及其在或用於電化學電池製造中之用途。本發明進_ 步係關於包括至少一本發明電極材料之電化學電池。 【先前技術】 在尋求利用鋰離子作爲導電物種之電池的有利電極材料 時,迄今已提出诸多材料,例如含裡尖晶石、混合氧化 物,例如锂化鎳錳鈷氧化物及鋰鐵磷酸鹽。當前尤其關注 混合氧化物。 爲了改良基於通常極重的該等電極之電化學電池的能量 社、度’一直以來在尋找具有改良的充電/放電性能之改良 的電極材料。 且,關注使電化學電池極穩定之陰極材料。 US 2009/0286157提出一種表面改質鋰離子電池之電極 的方法,藉此,可減少鋰離子電池使用期間的放氣量。表 面改質方法係基於電極材料與矽烷或有機金屬化合物之反 應。然而,所提出的矽烷及有機金屬化合物中多數之製造 費力並難以處理》 【發明内容】 158744.doc 201232898 因此’已發現最初所定義之方法,亦簡稱為「本發明之 方法」。 【實施方式】 本發明之方法始自包含作為陽離子之Li及至少一過渡金 屬,較佳至少兩種及更佳至少三種不同過渡金屬之混合氧 化物。 混合氧化物較佳包含作為陽離子的不超過1〇種、更佳不 超過5種不同過渡金屬。 短語「包含作為陽離子」應理解為意指並非僅以微量存 在於根據本發明使用的混合氧化物巾,而是以所涉及混合 氧化物的總金屬含量的至少1重量%之比例,較佳以至少D2 重量%之比例且更佳以至少5重量%之比例存在的彼等陽離 在本發明之—實施例中,混合氧化物包含作為陽離子之 三種不同過渡金屬。 ,一或多種其他驗金屬或鎂替代 其他鹼金屬或鎂替代鋰之量較佳 在本發明之一實施例 鐘之量可多達5莫耳〇/〇。 可少於0.5莫耳%。 ^發明之—貫施例中,至少—其他驗金屬或㈣代鐘 置了 至少 1〇 mol-ppm。 如明之一實施例中’混合氧化物可呈顆粒形式,例 Π:直㈣—-之顆粒形式。就此而言,顆粒 合氧化物之在本發明之—實施例中,混 頁粒一有10 nm至950 nm之平均直徑,及 158744.doc 201232898 二次顆粒具有1㈣至Μομηι之平均直徑β 在本發明之—實施射,在本㈣全文t亦可稱為 「M」的過渡金屬係選自元素週期表第3至12族,例如η、 V、Cr、Μη、Fe、Γη、\π 7 Νι、Ζπ、Mo ’ 較佳係 Μη、Co及
Ni。 在本發明之—實施例中’混合氧化物係選自通式⑴之化 合物
LizMx〇y (I) 其_變量分別如下選擇: Μ為70素週期表第3至12族之一或多種金屬,例如Ti、 V Cr Μη、Fe、Co、Ni、Zn、Mo,較佳係 Μη、Co及
Ni, x 係在1至2之範圍中, y 係在2至4之範圍中, 2係在0.5至1.5之範圍中。 在本發明之一實施例中,混合氧化物係選自通式(la)或 (lb)之化合物
Lii+tM^tOj (la)
Lii+tM2.t〇4.a (I b) 其中a係介於〇至〇4之間, 其中t係介於〇至〇 4之間,及 其他變量分別如上述選擇。 在本發明之一實施例中,Μ係選自Ni0.33Mn0.33C〇o.33、 158744.doc 201232898
Ni〇.5Mn〇.3Co〇.2 ' Nio.4Mno.2Coo.4 ' Ni〇.22Mn〇.66Co〇.12 ' Nio.4Coo.3Mno.3 ' Ni〇.45Co〇.iMn〇.45 ' Ni〇.4Co01Mn〇.5 及
Nio.sCoojMnoj。 在本發明之一實施例中,混合氧化物可摻雜有一或多種 其他金屬陽離子’例如鹼土金屬陽離子,特定言之Mg2+或 Ca2+,或受其等玷污。 在本發明之一實施例中,多達1〇重量例如〇5至1〇重 量%)之元素週期表第3至12族的金屬係經A1替代。在本發 明之另一實施例中’ A1未以可測量比例替代M。 在本發明之一實施例中,通式⑴化合物中多達5重量% 之氧係經F替代。在本發明之另一實施例中,F未以可測量 比例替代Ο。 在一實施例中,Μ係選自Ni〇.25Mn〇 75。當混合氧化物係 選自通式(lb)之化合物時,該變體尤佳。 Μ可以例如+2氧化態至最大可能性氧化態存在,就心而 言,較佳以+2至+4氧化態,及就。或卜而言,較佳以+2 至+3氧化態。 在本發明之-實施例中,混合氧化物可包括總混合氧 物之1〇 PPm至5重量%之非氧化物離子的陰離子,例如 酸根、矽酸根及特定言之硫酸根。 根據本發明’以具有至少-院氧基(較佳至少-Cl_Cl 烧氧基)或選自硬、漠、氯及貌的至少-㈣原子(較佳 及尤佳氟)的至少_㈣合物進行處理。該等硼化合物 在本發明全文中簡稱為「硼化合物」。 I58744.doc • 6 · 201232898 人::發明之一實施例中以至少一通概I之化 4進仃處理’其中變量分別定義如下: 為不同或較佳吕之為相同(當&>1時)並選自鹵素,諸如 ^溴,較佳氯及特定言之氟或〇R2, 為不同或較佳&之為相同(如可能)並選自苯基及較佳 CVCV炫基’例如甲基、乙基、正丙基、異丙基、正 丁基、異丁基、第二丁基、第三丁基、正戊基、異戊 基(is_y卜is〇pentyl)、正己基、異己基及13-二甲基 丁基,較佳正-Cl_C6·烷基,更佳甲基、乙基、正丙 基、異丙基,及最佳甲基或乙基。 乙基 R: 就此而言,苯基或Cl_C6_烷基可未經取代或例如經羥基 或較佳經鹵素單或多取代。適當之經取代之苯基或c 烧基的實例為經甲基、^甲基、漠甲基、㈣苯基、間經 苯基、鄰羥苯基、對氣苯基、間氣苯基、鄰氯苯基、2-羥 3-經丙基、2-氯乙基、3-氣丙基及4-經丁基。 為不同或較佳言之為相同(如可能)並選自Ci_C6_烷 基’較佳甲基、乙基、正丙基、異丙基、正丁基、 異丁基、第二丁基、第三丁基、正戊基、異戊基 (isoamy卜iS0pentyl)、正己基、異己基及13_二甲基 丁基’較佳正-CrC6-烧基’更佳甲基、乙基、正丙 基、異丙基,及最佳甲基或乙基。 a 係介於1至3之間的整數’較佳2或3及最佳3。 在本發明之一實施例中’硼化合物係選自通式Βχ3的化 合物’其中變量X可不同或較佳可相同並選自鹵素及 158744.doc 201232898 〇R2,其中R2相同或不同並選自Cl-c6-烧基。 尤佳硼化口物為二甲氧基蝴烧(棚酸三甲醋)、三乙氧基 棚烧(蝴酸三乙醋)及三氟化娜。 本發明之方法可以氣相或液(濃縮)相進行。氣相處理應 理解為意指硼化合物主要(即,達至少5〇莫耳%之範圍)以 氣態存在。在本發明製程進行期間,混合氧化物自然不以 氣相存在。 液相處理應理解為硼化合物係以溶解、乳化或懸浮形式 使用,或該等硼化合物在處理溫度下實質上為液體之情況 下使用。在本發明製程進行期間,混合氧化物係呈固態形 式。 在本發明之一實施例中,混合氧化物係以硼化合物在介 於-20至+1〇〇〇C之間、較佳介於+2〇至+9〇〇〇c之間之溫度 下處理。 在本發明之一實施例中,混合氧化物係在溶劑或分散劑 存在下以硼化合物處理。適宜溶劑為例如,脂族或芳族 烴、有機碳酸酯、以及趟、縮媒、縮酮及非質子性醢胺、 酮及醇。實例包括:正庚烷、正癸烷、十氫萘、環己燒、 甲笨、乙苯、鄰二甲苯、間二曱苯及對二曱苯、碳酸二曱 酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙二酯、碳酸丙二 酉曰、一乙縫、二異丙謎、二正丁鱗、甲基第三丁基喊、 1,2-二甲氧基乙烷、1,1-二甲氧基乙烷、二乙氧基乙 烷、ι,ι -二乙氧基乙烷、四氫呋喃(THF)、丨,4-二噁烷、 1,3-二氧五環烧、n,N-二甲基曱酿胺、n,n_二曱基乙酿胺 158744.doc 201232898 及N-甲基吡咯啶酮、丙酮、曱基乙基酮、環己酮、甲醇、 乙醇及異丙醇。 在本發明之一實施例中,硼化合物係以氣態形式,例如 呈純淨形式或與載氣__起使用。適宜載氣為例如,氣氣、 惰性氣體,例如氬氣,以及氧氣或空氣。 在本發明之一實施例中,使用1至99體積%之載氣及99 至1體積%之氣態硼化合物,較佳5至95體積%之載氣及95 至5體積。/。之氣態硼化合物。 在本發明之一實施例中,本發明之製程係在標準氣壓下 進行。 在本發明之另一實施例中,本發明之方法係在高壓下 (例如1.1至20巴)進行。 在本發明之另一實施例中,本發明之方法係在減壓下 (例如〇.5至900毫巴、特定言之5至500毫巴)進行。 在本發明之—實施例中,本發明之方法可進行在1分鐘 4 J時、較佳丨〇分鐘至3小時之範圍的期間。 在本發明之一實施例中,選用混合氧化物對鄉化合物的 重里比為〇.〇1: 1至1〇〇〇: 1。 在本發明之一實施例中,以硼化合物處理混合氧化物。 另貫^例中,以兩種不同硼化合物例如同步或連續對 渴·合氧化物進行處理。 當然,根據本發明,可處理一種混合氧化物,亦可處理 兩種或多種混合氧化物之混合物》 在本發明之-實施例中,在例如氫氧化物、驗性氧化物 158744.doc -9- 201232898 或碳酸鹽之混合氧化物形成步驟後期或接近結束時對混合 氧化物進行處理。 在本發明之一實施例中,以硼化合物對混合氧化物之本 發明處理係在旋轉管式爐、擺式反應器、馬弗爐或穿通爐 中進行。 在本發明之一實施例中,使用具有若干區段之穿通爐或 擺式或旋轉管式爐,並將包含硼化合物之氣流引入至少一 區段(例如最後區段)中。最後區段表示待加熱之材料在離 開爐前最後通過的區段。 棚化合物實際處理後,可移除未轉化的硼化合物、任何 副產物及任何所用溶劑。 虽以侧化合物處理混合氧化物係以氣相進行時,可例如 藉由隋性氣體吹洗、抽真空或烘培(視需要在減壓下進行) 移除未轉化的侧化合物及任何副產物。 當以硼化合物處理混合氧化物係在溶劑存在下以液相進 行時,例如,可藉由過濾、萃取洗滌、蒸餾除去溶劑、蒸 發硼化合物及/或溶劑或萃取,或藉由上述方法之一或多 者的組合除去未轉化的硼化合物及溶劑。 之後,按照本發明處理之混合氧化物可例如在1 〇〇 〇c至 1000 C、較佳200 C至600。(〇下進行熱後處理。熱後處理可 在空氣或惰性載氣下進行。 在本發明之一實施例中,選用擺式爐、穿通爐或旋轉管 式爐進行熱後處理β 在本發明之一實施例中’熱後處理進行1分鐘至24 158744.doc 201232898 時’較佳30分鐘至4小時。 在本發明之一實施例中,以至少另一電極組份,及硼化 合物的混合物形式來處理混合氧化物,電極組份係選自 碳、碳前驅物及聚合黏合劑。 在本發明之另一實施例中,僅以硼化合物處理混合氧化 物’即不存在碳、碳前驅物及聚合黏合劑。 根據本發明之方法製造之材料非常適合用作電極材料。 因此’本發明進一步提供根據本發明之方法製造之電極材 料°其等不僅具有母體混合氧化物之優勢性能,而且具有 非常良好的自由流動性並因此可以極佳方式處理以製造電 極。 本發明進一步提供包括至少一通式⑴之混合氧化物的電 極材料
LizMxOy (I) 其中變量分別如下選擇: Μ為元素週期表第3至12族之一或多種金屬,例如丁丨、ν' Cr、Μη、Fe、Co、Ni、Zn、Mo,較佳係 Μη、Co及Ni, x 係在1至2之範圍中, y 係在2至4之範圍中, Z 係在0.5至1.5之範圍中, 其以佔混合氧化物〇.01至1重量%之+3氧化態的硼改質,在 本發明全文中亦簡稱為「本發明之改質混合氧化物」。 158744.doc 201232898 不期受限於理論,假定混合氧化物可摻雜有+3氧化態的 硼,其意指硼擔任晶格中過渡金屬位點,或另一變體,硼 與疋素周期表第3至12族中一或多個金屬形成化合物。 在本發明之一實施例中,混合氧化物係選自通式(la)或 (lb)之化合物 (la) (I b)
Li 1 +tM 1 -t〇2 Li ]+tM2-t〇4-a 其中a係在〇至0.4之範圍中, 其中t係在〇至〇·4之範圍中,及 其他變量分別如上述般選擇。 在實施例中’ Μ係選自Nio.uMnm。當混合氧化物係 選自通式(lb)化合物時,該變體尤佳。 在本發明之一實施例中,Μ座6 ίντ. X, ^ J T '選自 Ni〇.33Mn〇.33C〇().33、 N i 〇 · 5 Νί η 〇. 3 C ο 〇. 2 、 Ni〇 4C〇〇 3Μη〇 3 、 Ni〇.5Co〇.ιΜη〇.4 ο
Ni〇.4Mn〇.2Co〇.4 . Ni〇.22Mn〇.66Co〇.12 ^ Ni0.45C〇(MMn0.45 、Ni〇4C〇〇 iMn〇5 及 在本發明之-實施例中,多達1Q重量%(例如Q5至1〇重 量%)之元素週期表第3至12族的金屬係經Al替代。在本發 明之另一實施例中,A1未以可測量比例替代 本發明之電極材料可例如藉由本發明之方法獲得。 在本發明之-實施例中,本發明電極材料之改質,即以 +3氧化態之卿改質係均f地分佈在電極材料表面上。此 應理解為意指删原子分佈在混合氧化物顆粒外表面及孔 158744.doc 12 201232898 内0 在本發明之—實施例中,+3氧化態之㈣改質均質以使 混合氧化物顆粒表面處測量之濃度較佳不偏離±2〇莫耳% 以上,較佳不偏離至多莫耳%。 本發明之電極材料例如因良好的自由流動性而具有極佳 可加工性,並當電化學電池係利用本發明之改質混合氧化 物製造時,展現極佳的循環穩定性。 例如以 例如聚 本發明之電極材料可進一步包括導電多晶型碳 碳黑、石墨、石墨烯、奈米碳管或活性炭之形式 本發明之電極材料可進一步包括至少一黏合劑 合黏合劑。 適宜黏合劑較佳地選自有機(共)聚合物❶適宜(共)聚合 物’即均聚物或共聚物’可選自例如由陰離子、催化或自 由基(共)聚合而獲得之(共)聚合物,特定言之選自聚乙 烯、聚丙烯腈、聚丁二烯、聚苯乙#,及選自乙烯、丙 烯、苯乙烯、(甲基)丙烯腈及^-丁二烯之至少兩共單體 的共聚物。聚丙彿亦適合1異戊二稀及聚丙⑽醋另適 宜。特佳係聚丙烯腈。 在本發明之全文内,聚丙烯腈應理解為意指聚丙烯腈均 聚物,及丙烯腈與1,3-丁二烯或苯乙烯之共聚物。較佳係 聚丙烯腈均聚物。 在本發明之全文内,聚乙烯應理解為意指均聚乙烯,及 乙烯之共聚物,其包括至少50莫耳%之共聚乙烯及多達5〇 莫耳%之至少另—共單體,例如…稀,垣諸如㈣'丁稀& 158744.doc -13· 201232898 丁稀)、1-己稀、1-辛稀、1-癸稀、1-十二稀、1·戊歸,以 及異丁烯、乙烯基芳香烴’例如苯乙烯、以及(甲基)丙稀 酸、乙酸乙烯酯、丙酸乙烯酯、(甲基)丙烯酸2Cl-Cl(r垸 基酯,特定言之丙晞酸甲酯、f基丙烯酸甲酯、丙缚酸乙 醋、曱基丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯、2-乙基己基丙婦酸 酿、甲基丙烯酸正丁酯、2-乙基己基曱基丙烯酸酯,以及 馬來酸、馬來酸酐及衣康酸酐。聚乙烯可為hDPE或 LDPE 〇 在本發明之全文内,聚丙烯應理解為意指均聚丙烯,及 丙烯之共聚物,其包括至少50莫耳%之共聚丙烯及多達5〇 莫耳%之至少另一共單體’例如乙烯及α烯烴諸如丁埽、 1-己烯、1-辛烯、丨·癸烯、十二烯及丨·戊烯。聚丙烯較 佳係全同或實質上全同聚丙烯。 在本發明之全文内,聚苯乙烯應理解為意指苯乙烯之均 聚物,及與丙烯腈、1,3-丁二烯、(曱基)丙烯酸、(甲基)丙 烯酸之Cl-Cl0·烷基酯、二乙烯基苯(特定言之1,3-二乙烯基 苯)、1,2-二苯基乙烯及α—甲基苯乙烯之共聚物。 另較佳黏合劑為聚丁二烯。 其他適且黏合劑係選自聚環氧乙烷(pE〇)、纖維素、羧 甲基纖維素、聚醯亞胺及聚乙烯醇。 在本發明之一實施例中,黏合劑係選自平均分子量Mw 為5〇 〇〇0至1 000 000 g/m〇卜較佳至500 000 g/m〇l之彼等 (共)聚合物。 黏合劑可為交聯或未交聯(共)聚合物。 J58744.doc 201232898 在本發明之一特佳實施例中,黏合劑係選自函代(共)聚 合物,特定言之選自氟化(共)聚合物。齒代或氟化(共)聚 合物應理解為意指包括每分子含有至少一鹵素原子或至少 氟原子,更佳&之每分子含有至少兩個鹵素原子或至少 兩個氟原子之至少一(共)聚合(共)單體的彼等(共)聚合物。 實例為聚氣乙烯、聚偏二氯乙烯、聚四氟乙烯、聚偏二 氟乙婦(PVdF)、乙稀_六氣丙稀共聚物、偏二氣乙稀_ 六氟丙烯共聚物(PVdF_HFp)、偏二氟乙烯_四氟乙烯共聚 物、全氟烧基乙烯轉共聚物、乙稀·四氧乙婦共聚物、偏 氟乙烯-氣二氟乙烯共聚物及乙烯氯氟乙烯共聚物。 適宜黏合劑尤其為聚乙稀醇及齒代(共)聚合物,例如聚 氯乙稀或聚偏二氣乙烤,尤其氟化(共)聚合物,諸如聚氟 乙稀及尤其聚偏二氟乙稀及聚四氟乙烯。 導電性含碳材料可選自例如石墨、碳黑 '奈米碳管、石 墨埽或至:>、兩種以上物質的混合物。在本發明全文内,導 電性含碳材料亦可簡稱為碳(B)。 在本發明之一實施例中,導電性含碳材料為碳黑。碳 二如可選自燈黑、爐黑、焰黑、熱黑、乙块黑及工業黑 奴黑可包括雜質,例如烴’尤其芳族烴,或含氧化合物 含氧基團’例如OH基。此外,碳黑中可存在含硫或鐵 質。 隹一變體中 守电证3碳材料為部份氧化之碳里。 與在本發明之一實施例中,導電性含碳材料包括奈 ^奈米碳管(簡稱為CNTs)為人所知,例如單壁奈米 158744.doc •15- 201232898 (SW CNTs)及較佳多壁奈米碳管(MW CNTs)。其製法及一 些性質敖述於例如A. Jess等人之Chemie Ingenieur Technik 2006, 78, 94-100 中。 在本發明之一實施例中’奈米碳管具有〇.4至5〇 nm,較 佳1至2 5 nm之直徑。 在本發明之一實施例中,奈米碳管具有1〇 〇〇1至1 mm, 較佳100 nm至500 nm之長度。 奈米碳管可藉由為人所知的方法製造。例如,揮發性碳 化合物,例如甲烷或一氧化碳、乙炔或乙烯、或揮發性碳 化合物之混合物,例如合成氣體,可在一或多種還原劑 (例如氫氣及/或另一氣體,例如氮氣)存在下分解。另一適 宜的氣體混合物為一氧化碳與乙烯的混合物。適宜的分解 溫度為例如400至l〇〇〇°c,較佳500至800。(: *適宜的分解 壓力條件為例如標準氣壓至丨〇〇巴,較佳至丨〇巴。 單壁或多壁奈米碳管可例如藉由在弧光中,特定言之在 分解觸媒存在或不存在下分解含碳化合物而獲得。 在一實施例中’揮發性含碳化合物之分解係在分解觸媒 (例如Fe、Co,或較佳Ni)存在下進行。 在本發明全文内,石墨烯應理解為意指結構類似於單石 墨層的幾乎理想或理想的二維六方碳晶體。 在本發明之一實施例中,通式⑴之化合物與導電性含碳 材料之重量比為200 : 1至5 : 1,較佳1〇〇 : 1至10 : i。 本發明之另一態樣為一種包括至少一通式⑴之化合物、 至少一導電性含碳材料及至少一黏合劑之電極。 158744.doc • 16 - 201232898 以上已論述通式(i)之化合物及導電性含碳材料。 本發明進一步提供利用至少一本發明電極製造之電化學 電池。本發明進一步提供包括至少一本發明電極之電化學 電池。 在本發明之一實施例中’本發明之電極材料包括: 介於60與98重量%之間,較佳70與96重量%之間之本發明 之改質混合氧化物, 介於1與20重量%之間,較佳2與15重量%之間之黏合劑, 介於1與25重量%之間,較佳2與20重量。/。之間之導電性含 碳材料。 本發明電極的幾何形狀可在寬範圍内選擇。本發明電極 最佳組態為薄膜,例如厚度介於1〇 4111與25〇 μιη之間較 佳介於20與130 μιη之間的薄膜。 在本發明之一實施例中,本發明電極包括箔,例如金屬 泊,尤其鋁箔,或聚合物膜,例如聚酯膜,未經處理或經 矽化。 本發明進一步提供本發明之電極材料或本發明之電極於 電化學電池中之用途。本發明進一步提供一種利用本發明 之電極材料或本發明之電極製造電化學電池的方法。本發 明進一步提供包括至少一本發明之電極材料或至少一本發 明之電極的電化學電池。 經疋義,本發明電化學電池中之本發明電極用作陰極。 本發明之電化學電池包括反電極,其在本發明全文中定義 158744.doc -17- 201232898 為陽極及其可為例如碳陽極,尤其石墨陽極、鋰陽極、矽 陽極或欽酸鐘陽極。 本發明之電化學電池可為例如電池或蓄電池。 除陽極及本發明之電極外,本發明之電化學電池可包括 其他組分,例如導電鹽、非水性溶劑、分離器、輸出導體 (例如由金屬或合金製成)以及電纜連接及外殼。 在本發明之一實施例中,本發明之電池包括在室溫下為 液體或固體之至少一非水性溶劑,其較佳地選自聚合物、 環狀或非環狀醚、環狀及非環狀縮醛及環狀或非環狀有機 碳酸醋。 適宜聚合物之實例尤其為聚伸烷二醇,較佳聚C]_C4_伸 烷一醇及尤其聚乙二醇。此等聚乙二醇可包括多達2〇莫耳 /〇之共聚形式之一或多種Ci_C4_伸烷基二醇。聚伸烷二醇 較佳為甲基或乙基雙封端之聚伸烷二醇。 適宜聚伸烷二醇及特定言之適宜聚乙二醇之分子量 可為至少400 g/mo卜 適宜聚伸烧二醇及特定言之適宜聚乙二醇之分子iMw 可多達 5 000 〇〇〇 g/mol,較佳多達 2 〇〇〇 〇〇〇 g/m〇1。 適且非環狀謎之實例為例如二異丙醚、二正丁贼、丨,2_ 一甲氧基乙烷、1,2-二乙氧基乙烷,較佳係丨,2_二甲氧基 乙烧。 適宜環狀醚之實例為四氫呋喃及丨,4_二噁烷。 適宜非環狀縮醛之實例為例如二甲氧基曱烷、二乙氧基 甲烷、1,1-二甲氧基乙烷及丨,^二乙氧基乙烷。 158744.doc 18· 201232898 適宜環狀縮搭之實例為i,3_二噁烷及尤其13-二氧五環 烷。 適宜非環狀有機碳酸酯之實例為碳酸二曱酯、碳酸甲乙 醋及碳酸二乙酯。 適宜環狀有機碳酸酯之實例為通式(11)及(111)之化合物
(II) (III) 其中,R3、R4及R5可相同或不同並選自氫及Cl_C4_烷基, 例如甲基、乙基、正丙基、異丙基、正丁基、異丁基、第 二丁基及第三丁基,其中R4及R5較佳地不同時為第三丁 基》 在特佳實施例中,R3為曱基及R4及R5各為氫,或R3、R4 及R5均為氫。 另一較佳之環狀有機碳酸酯為通式(IV)之碳酸伸乙稀 酉旨。 (iv) 人 \=1 溶劑較佳地以悉知的無水態使用,即具有例如經Karl 158744.doc -19· 201232898
Fischer滴定法測得之介於1 ppm與〇」重量。/。之間之含水 量。 本發明之電化學電池進一步包括一或多種導電鹽。適宜 導電鹽尤其為經鹽。適宜鐘鹽之實例為LiPF6、LiBF4、
LiC104、LiAsF6、LiCF3S03、LiC(CnF2n+1S〇2)3,鋰醯亞胺 諸如LiN(CnF2n+1S〇2)2,其中n為1至20之間的整數, LiN(S02F)2 、Li2SiF6 、LiSbF6 、LiAlCU ,及通式 (CnF2n+iS〇2)mYLi之鹽,其中m定義如下: 當Y選自氧及硫時,m= 1, 當Y選自氣及鱗時’ m=2,及 當Y選自碳及碎時,m=3。 較佳導電鹽係選自 LiC(CF3S02)3、LiN(CF3S02)2、 LiPF6、LiBF4、LiCl〇4,尤佳係LiPF6&LiN(CF3S02)2。 在本發明之一實施例中,本發明之電化學電池包括一或 多個機械分離電極之分離器。適宜分離器為聚合物膜,尤 其多孔聚合物膜’其等對金屬鋰不具反應性。尤其適宜的 分離器材料為聚烯烴’尤其膜形式之多孔聚乙烯及膜形式 之多孔聚丙稀。 由聚烯烴製成,尤其由聚乙烯或聚丙烯製成之分離器具 有35至45%之孔隙率《適宜孔徑為例如30至500 nm。 在本發明之另一實施例中’分離器可選自填充無極顆粒 之PET不織物。該等分離器可具有40至55%之孔隙率。適 宜孔徑為例如80至750 nm。 本發明之電化學電池進一步包括可具有任何所需形狀之 158744.doc • 20· 201232898 所用外殼為 外殼,例如立方形或圓柱盤形。在一變體令 製成袋之金屬箔。 高能量密度及良好 本發明之電化學電池可產生高壓並以 穩定性出眾。 例如串聯或並聯。以 本發明之電化學電池可彼此組合 串聯較佳。 本發明進一步提供本發明之電化學電池於裝置(尤其移 動裝置)中之用途。移動裝置之實例為機動車輛,例如汽 車、摩托車、飛機或水上交通卫具,諸如舟或船。移動裝 置之其他實例為手動之彼等’例如電腦’尤其膝上型電 腦、電話或電手工具’例如來自建築部門,尤其钻床、電 池供能鈷床或電池供能敲平頭釘器。 裝置中應用本發明之電化學電池之益處在於再充電前較 長之運行時間。若利用較低能量密度之電化學電池達到相 同運行時間’電化學電池需更重。 藉由操作實例闡述本發明。 一般說明:KStp)表示標準升。以%表示之數據為重量 百分比’除非另外明確說明。 1. 蝴化合物之處理 1.1混合氧化物1.1之硼化合物(B—丨)處理 將1〇轉有尖晶石結構之LiNi〇5Mni5〇4懸浮於1〇 g硼酸 三乙醋B(〇c2H5)3(B_1)t。使所得m在机下於氮氣 中授拌1小時H ’玻璃粉過濾該懸浮液。隨後,使所 侍之經處理的混合氧化物在氮氣下,於160。。之旋轉管式 158744.doc -21· 201232898 爐中锻燒1小時並接著在500°C下煅燒3小時。得到按照本 發明處理之混合氧化物MOx—丨。測得本發明之經處理的混 合氧化物中硼含量為0.3 5重量%。X射線繞射圖表明尖晶石 結構得以保留。 1.2混合氧化物1丨之硼化合物(B_i)處理 將g具有尖晶石結構之LiNiMMnuO4懸浮於10 g硼酸 二乙醋B(OC2H5)3(B-l)中。使所得懸浮液在的艺下於氮氣 中攪拌1小時。然後’藉由旋轉蒸發器於約3〇毫巴之壓力 及75。(:之熱浴溫度下使該懸浮液濃縮至乾。隨後,使所得 殘質在氮氣下,於16(TC之旋轉管式爐中煅燒!小時並接著 在500 C下煅燒3小時。得到按照本發明處理之混合氧化物 ΜΟχ-Γ。測得本發明之經處理的混合氧化*Μ〇χ_ι•中硼含 量為0.34重量%。X射線繞射圖表明尖晶石結構得以保留。 1 _3混合氧化物1 · 1之硼化合物(Β_丨)處理 將g具有尖晶石結構之LiNiwMn丨.5〇4懸浮於1〇 g硼酸 二異丙酯B(OC(CH3)2)3(B-2)中。使所得懸浮液在6〇。匚下於 氮氣中攪拌1小時。然後,玻璃粉過濾該懸浮液。隨後, 使所得殘質在氮氣下,於16(TC之旋轉蒸發器中煅燒丨小時 並接著在500 C下煅燒1小時》得到按照本發明處理之混合 氧化物MOx-2。測得本發明之經處理的混合氧化物Μ〇χ_2 中硼含量為0·25重量% ^ X射線繞射圖表明尖晶石結構得以 保留。 1.4混合氧化物1.2之硼化合物(Bq )處理 將10 g具有層結構之LKLio wNio·,懸浮於
I58744.doc -22- S 201232898 i〇 g硼酸二乙酯B(OC2H5)3(B1)中。使所得懸浮液在6〇。〇 下於氮氣中攪拌丨小時。然後,玻璃粉過濾該懸浮液。隨 後,使所得殘質在空氣下,於3〇(rc之馬弗爐中煅燒i小 時。得到按照本發明處理之混合氧化物Μ〇χ·3。測得本發 明之經處理的混合氧化物MOx-3中硼含量為0.23重量%。X 射線繞射圖表明層結構得以保留。 1,5混合氧化物1.1之硼化合物(B-1)處理 將1〇 g具有尖晶石結構之LiNiosMnuC^懸浮於〇.5 g硼酸 二乙酯Β(〇(:2Η5)3(Β·1)之12 g乙醇溶液中。使所得懸浮液 在6〇°C下於氮氣中攪拌1小時。然後,該懸浮液藉由旋轉 蒸發器於70。(:之熱浴溫度及最初250毫巴,隨後10毫巴之 壓力下濃縮。隨後,使所得殘質在氮氣下,於16〇<t之旋 轉管式爐中煅燒1小時並接著在5〇〇°c下煅燒3小時。得到 按照本發明處理之混合氧化物Μ〇χ-Γ· »測得本發明之經 處理的混合氧化物ΜΟχ·1,,中硼含量為〇·ι〇重量% β X射線 繞射圖表明尖晶石結構得以保留。 1_6混合氧化物1.丨之氣相硼化合物(Β^)處理 將1〇 g具有尖晶石結構之LiNi0.5Mn15O4引入1〇〇〇 ml鐵 氟龍反應容器中並藉由磁性攪拌器旋渦。氮氣清洗反應容 器達30分鐘。然後,以5 i (STP)/hi流速量入氣態]61?3達1〇 分鐘。隨後’在室溫下開始反應。此後,以n2清洗反應容 器以除去未消耗的BF3。得到按照本發明處理之混合氧化 物Μ0χ-1.1"\測得本發明之經處理的混合氧化物Μ〇χ_ 1.1'π中硼含量為0.015重量%及氟含量為0.055重量%。X射 158744.doc -23- 201232898 線繞射圖表明尖晶石結構得以保留。 11.電極及測試電池製造之常見方法 所用材料: 導電性含碳材料: 碳(C-1).碳黑,62 m/g 之 BET表面積,以”Super p Li” 購自 Timcal。 黏合劑(BM.1):偏二氟乙烯及六氟丙烯的共聚物,呈粉 末形式,以 Kynar Flex® 2801 購自 Arkema, lnc。 以%表示之數據為重量%,除非另外明確說明。 為確定材料之電化學數據,將8 g本發明之混合氧化物 MOx-1、1 g碳(c-l)及 1 g(BM.l)、24 g N-甲基吡咯啶酮 (NMP)混合生成膏狀物。使3〇 0111厚銘羯塗覆有上述膏狀 物(活性物質荷載5-7 mg/cm2)。105t:下乾燥後,對如此塗 覆之铭箔的圓形部份(直徑20 mm)進行穿孔。如此獲得之 電極用於製造電化學電池》 105C下乾燥後,對圓形電極(直徑20 mm)進行穿孔並製 成測試電池。所用電解質為1 m〇l/l LiPFe之碳酸乙二酯/碳 酸二甲酯(1 : 1,以質量份計)溶液。測試電池之陽極係由 經由玻璃纖維紙製得之分離器與陰極笛接觸的鋰绪組成。 如此得到本發明之電化學電池EZ. 1。 製造以下之本發明電化學電池: 以根據本發明處理的混合氧化物ΜΟχ-Ι.Γ,(實例ι·3)及 ΜΟχ-Γ"(實例1.6)製得且如II所述般經碳(C-1)及聚合黏合 劑(ΒΜ.1)濕磨的陰極材料製造測試電池。作為對比,對比 -24· 158744.doc
201232898 電池係以類似方式利用未經改質之具有尖晶石結構之 LiNiojMnuC^製造。 測試電化學電池EZ.3及EZ.6。 本發明之電化學電池在25。(:下於4·9 V與3.5 V之間循環 ' (充電/放電)1〇〇次。陰極材料之充電及放電電流為150 ' mA/g。確定1〇〇次循環後放電容量保持率。 EZ.3 : 98.5% EZ.6 : 97.5% 對比實例:96.0% 本發明之電化學電池顯示循環穩定性之優勢。 158744.doc -25·

Claims (1)

  1. 201232898 七 1. 2. 3. 4. 5. 6. 、申請專利範圍: 一種製造電極材料之方法,其包括以每分子具有至少— 烷氧基或至少一鹵素原子之至少一硼化合物處理包含作 為陽離子之Li及至少一過渡金屬之混合氧化物。 如請求項1之方法,其中該處理係以氣相或液相進行。 如清求項1或2之方法,其中該等硼化合物係選自通弋 之化合物’其中各變量定義如下: x可相同或不同並選自鹵素及〇R2, R1可相同或不同並選自Cl_C6_烷基及苯基,分別未經 取代或經羥基或齒素單或多取代, R2可相同或不同並選自Cl_c6_烷基,及 a係在1至3之範圍中的整數。 如凊求項1或2之方法,其中該等硼化合物係選自通式 BX3的化合物,其中χ可相同或不同並選自鹵素及〇R2, 其中R2可相同或不同並選自Ci_C6_烷基。 如請求項1或2之方法,其中該混合氧化物係以與至少另 一電極組份之混合物形式處理,電極組份係選自碳及聚 合黏合劑。 如清求項1或2之方法’其中該混合氧化物係選自通式⑴ 之化合物 blzMx〇y (I) 其中變量分別如下選擇: X M為元素週期表第3至12族中之一或多種金屬, x 係在1至2之範圍中, 158744.doc 201232898 y 係在2至4之範圍中, 2 係在〇.5至1.5之範圍中。 7. 一種如請求項1至ό中任一項獲得之電極材料。 8· 一種電極材料,其包括至少一通式(I)之混合氧化物 LizMxOy (I) 其中變量分別如下選擇: M為元素週期表第3至12族中之一或多種金屬, x 係在1至2之範圍中, y 係在2至4之範圍中, 2 係在0.5至1.5之範圍中, 其以混合氧化物之〇.01至1重量%範圍中之+3氧化態的 硼改質。 9·如凊求項7或8之電極材料,其具有層或尖晶石結構。 10.如凊求項7或8之電極材料’其中+3氧化態的硼係均質分 佈在電極材料表面上。 11·種如凊求項7至10中任一項之電極材料於或用於製造 電化學電池之用途。 12· —種電化學電池,其知乜 丹匕枯如请求項7至10中任一項之至 少一電極材料。 158744.doc 201232898 四、指定代表圖: (一) 本案指定代表圖為:(無) (二) 本代表圖之元件符號簡單說明: 五、本案若有化學式時,請揭示最能顯示發明特徵的化學式: (無) 158744.doc
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