TW455566B - Lithium manganese oxy-fluorides for li-ion rechargeable battery electrodes - Google Patents

Lithium manganese oxy-fluorides for li-ion rechargeable battery electrodes Download PDF

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Description

455566 A7 B7 五、發明説明( t明背景 f請先閒讀背面之注意事項再填寫本頁} 本發明係關於用作_子可再充“池中活化電極材科 之氧化錳鋰夾入化合物,特別是關於這些化合物氟氡化錯 合物,及其使用改良這類電池之循環能力與容量。 3 氧化錳鋰夾入化合物(標稱式爲以?4112〇4)已逐漸證實爲二 次、可充電鋰離子電池及合成電池製造有效與經濟之材 料。美國專利编號5,296,318與5,460,904描述此形式成功之 私池。這些電池在寬廣之電壓範圍内表現極佳水準之電儲 存谷量與充電循環旎力β無論如何,這些性質已被視爲無 法芫全滿足處理現代電子裝備與應用逐漸嚴格之要求。 現已著手廣泛之研究以改良此受注意之性質,而這些工 作已確足LiMhO4尖晶石結構因數之變化(例如化合物a軸晶 格尺寸)對最後電池表現有明顯之影響。依次發現這些結構 大大地隨夹入化合物之構造及其合成情形而變。就這一 點,通常已被認可:例如:a軸參數少於8·23人促進在長期 循環中良好之充電能力。 達到此有利參數範圍之方法已包括精細控制之合成狀 況’例如泰拉康(Tarascon)在美國專利5,425,932號所描 經濟部中央標準局買工消費合作社印策 述’經由較高價數之錳得到小3軸尺寸之優點;及陽離子取 代物’例如泰拉康等在 j. Electrochem. Sol Vol. 138, No. 1〇, ΡΡ· 2859-2864,1991年l〇月所提出,或以c〇、Cr或Fe置換 ~部分錳原子’例如歐洲專利390,1δ5中所建議來表現。— 些其他研究建議根據代表結構之化學式U]〇ct〇4,增 加經崁入物之水準以得到與置換錳類似之效應,如同增進 本紙張尺度通用中圉國家標準(CNS } A4規格(210X297公釐) 經濟部中央標準局員工消费合作社印m 4 5 5 5 6 6 第S6112903號專利申請案 88. J2. 3 η
中文說明書修正頁(88年12月) AT 立、發明説明(2) ―― 猶環能力之有效方法;但是已發現這實際上造成犧牲電池 容量’如同先前Μ η置換方法所觀察到。 比較這些前面實行之方法’本發明利用陽離子取代物, 以提供達到同時改良循環能力與電池容量二者之方法,且 能製造可以長而耐久與高功率工作之電池β 發明概述 我們已發現先前實施上之不適當,可藉由以氟作一部分 標稱為LiMr^O4氧原十之陰離子取代物來補救,雖然最初觀 察到單獨取代物造成a軸參數膨脹超過較佳之範圍,而這明 顯由於錳價數之減少。在進一步研究中,我們發現同時增 加經之鋰取代物意外達到a軸尺寸戲劇性也移至少於8 23入 之理想缸圍内。電解電池槽包含這些氟取代電極材料,其 後表現驚人之電池容量,如同其循環能力。 製備這些有利之氧氟化物尖晶石衍生物可最簡單地根據 平常之習慣,例如泰拉康在美國專利5,425,932提出,在800 °C退火適當前身化合物(典型為Li2C03、LiF及Μη02)之計量 混合物。這些衍生物也可包括陽離予取代物之前身物,如 同早先在EP390,185中提出之。產生之夾入材料可有效運用 以完成在先前電解電池之改良,其以通式表示為 Lii-xMyMn2-Tt-y〇4-zFz ’此處Μ為過渡金屬,例如c〇 ' Cr或 Fe,而 x'S〇.4’y<〇.3&0.05<zSl.〇。 數系列之電池正電極組合物以主要改變氧氟化物之x及z 式組份(即鋰與氟)來製備;以X線繞射分析測定其最終a軸 晶格參數’之後以如同前述專利所述之普通方法组合為測 -5- 本紙伕尺度適用中國國家梯準(CNS ) A4規格(210X297公釐) --------—餐-----.—11:-----▲ {請先閱读背面之注意事項再填寫本莧) 455566 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裳 A7 --:~~~~~ -----B7 五、發明説明(3 ) ~~ ——' 試電池°該電池受重覆充電/放電循環,以測定化合物構成 在電池表現之電儲存容量水準之影響,通常以毫安培小時/ 克電極化合物表示’如同循環能力—般,即在長期循環下 維持最初容量水準之能力。 圖之簡述 本發明以關於下列伴隨圖形來描述: 圖I爲本發明化合物之x線繞射模型,Li1+xMyMn2.x.y04.z Fz, 此處 X = 0.1、y = 〇 且 2 = 0」; 圖2爲a軸晶格尺寸對本發明化合物Lii+xMyMn2 之z之圖形,此處x = 〇.〇5、y = 〇且2: <〇5; 圖3爲比較容量及循環能力對包含圖2之正電極化合物之 電池充電循環數之圖形; 圖4爲比較容量及循環能力對包含先前Li|+xivln2〇4電極化 合物之電池及本發明化合物之充電循環數之圖形; 圖5爲比較a軸晶格尺寸對本發明化合物Lii+xMyMii2_x.y04.zFz 中2之圖形,此處\幺〇.2、又=〇且2;£〇.4: 圖6爲比較容量及循環能力對包含本發明化合物 U]_xMyMn2-x.y04.zFz電池之充電循環數之圖形,此處x = 〇、 y = 0且ζ < 0.4 ; 圖7爲比較容量及循環能力對包含本發明化合物 Lii+xMyMri2-XnTy〇4-zFz電池之充電循環數之圖形,此處 X = 0,1、y = 0 且 z S 0.4 ; 圖8爲比較容量及循環能力對包含本發明化合物 Li1+xMyMn2.x.y04.zFz電池之充電循環數之圖形,此處χ = 〇.2、 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標率(CNS ) Α4現格(210X297公釐) ----------裳------訂------泉 f請先閑^背面之注意事免再填寫本頁} . Α7 ------Β7 五、發明説明(4 ) --- y = 0且z < 0.4 :以及 {請先閎讀背面之注意事項再填專本頁) .圖9爲比較容量及循環能力對包含本發明化合物
Lli+xMyMn2-x_y〇4_2Fz電池之充電循環數之圖形,此處χ = 〇、 y = 0.2且z s 0.1。 ' 本發明之描Μ “製備先前實行中使用之Lii+xMn2〇4夾人化合物(依據本式 設计:Lll+xMyMn2-x-y〇4-2Fz,此處7 = 〇且2 = 〇)作爲前述 美國專利5,425,932號描述方法之表現控制樣品,使用主要 瓦身化合物之計量混合物,例如以重量計9.23份之U2C〇3 至43.46份之^111〇2以達到標稱之1^1^112〇4。這些控制樣品之 測試電池’如同後面描述之本發明材料樣品同樣地製備, 且在電動勢學及電位學研究下測試,通常如同專利説明書 上描述。這些試驗電池包含鋰箔負電極作爲實用之方法, 因爲已s忍可之經驗在此方法完成之表現結果,可客觀地與 其他上面提及之專利説明書所述之链離子電池組合物比 較。下面簡述之另外試驗’仍然以包含該材料之鋰離子组 合物傳導,以得到此結果修正之進一步確認。 實例1 經濟部中央標隼局員工消費合作社印裝 本發明夾入材料之典型製備中,計量.比例之前身物: 〆>_ 1
Mn02(EMD型式)、Li2C03及LiF在瑪瑙臼與杵中充分混 合,其重量比例爲60.94:12.82 : 1,混合物用控制樣品之方 法以鋁坩堝在空氣中退火,以得到Li1+xMyMn2_x-y〇4-zFz之試 驗組合物,此處X = 0.1、y = 0且z = O.KLiuMnuOs.sFD.i)。特 別地,將混合物在固定速率加熱約1 2小時至溫度爲800°C, 本紙張尺度逋用中國國家標準(CNS ) A4規格(21 OX297公釐) 56 6 A7 B7 五、發明説明(5 請 I 先I 閔 I 讀 背I 面 f 之丨 i主I 意 事I 項 ί 再 f I 寫 本衣 頁 並在這溫度維持約12小時。之後將樣品以固定速率在約“ 小時之期間冷却至室溫。在混合/磨碎後,將樣品再以約5 小時之期間加熱至800。(: ’在此保持12小時,最後以約24 』時之期間冷却至罜溫。產生之氧氟化物以銅& χ線繞射 (XRD)檢驗其特性,得到之圖形模型於圖1。清晰界定之峯 模型確認合成之產物爲完全結晶、單相產物。 實例2 一系列本發明氧氟化物以適當結合前身化合物製備,產 生 Lit+xMyMn2.x.y04.zFz,此處 x = 〇 〇5、y = 〇且 2 = 〇、 0.05 〇·1〇、〇·ΐ5、〇.20、0.35及 0.50。產生之樣品以狀〇記 錄其特性並分別計算a軸晶格參數。這些參數所作之圖形如 訂 圖2所示,顯示規則之增加,其探知並指示氟化取代物之增 加。 % 經濟部中央標準局員工消費合作社印聚 相同樣品數份分別與約1 0 %導電石墨及5 %聚偏氟乙烯結 合劑結合,並在鋁箔基板上形成層以提供正試驗電池電 極。以平常方法排列鋰箔電極與介於其間之玻璃纖維隔離 板,其以溶於2:1混合之碳酸乙二醇與二曱基碳酸中之ιΜ LiPF6電解質溶液充滿’樣品電極形成之試驗電池以n 4.5伏特電麼·範圍在C/5之速率(整個循環爲5小時)下充電/ 放電。每一電池之容量在多至35循環之期間下追腙,得到 此性質改變速率之指示(見圖3),即長期充電之電池循環能 力。記錄31至36反應上述增加之氟取代物之等級,z,由 0·05至0·5。結果之比較描繪於圖2及3,以圖形確認通常隨 a軸尺寸之增加高於約8.23人之較佳限制時,傾向朝同時損 本纸張尺度適用中國國家標隼(CNS ) Α4規格(2丨0Χ297公釐) 4 5 5 5 6 6
經濟部中央標準局Λ工消費合作社印5L A7 B7 五、發明説明(6 ) 失容量與循環能力二者。 實例3 —系列先前技藝之未取代夾入化合物僅改變鋰之量,即 LM+xMyMn2-x.y04.zFz,此處 X = 〇.〇5、0.075 及 0.1,y = 〇 且Z = 0,以類似方法製備及試驗,得到此變數在產生電池 之容量與循環能力之影響=> 如圖4所見,記錄4丨-43依次增 加ϋ含量,此變化單獨改良循環能力,但明顯減少電池容 量。另外以實例1之氧氟化物(X = 〇,1、Ζ == 〇 · I )製備之電池 表現表示在圖4之記綠44,反應經本發明完成之驚人效 應。特別地’比較記錄43與44具有相似之鋰含量透露出在 谷量及循環能力一者上之傑出改進是結合氟取代物之故。 實例4 改變裡和氟二者製備數系列之氧氟化物,即 LikMyMn2-x.yO4.zFz,此處X s 〇、0.1 及 0.2,y = 〇且2 = 〇、 〇_〇5 ' 0.1、0.2及0‘4。a軸晶格參數對各系列之變化表示於 圖5,s己知52-56依次增加裡含1 ’其顯示在完成這參數之 理想範圍結合鋰及氟含量之驚人效應。 實例5 用實例4 X = 0之一系列化合物製備電池,以上述方法試 驗。結果顯示於圖6,記錄61-65依次增加氟含量,顯示化 合物Li : F比例中F對其容量及循環能力之影響。 實例6 用實例4 X = 0.1之一系列化合物製備電池,以上述方法試 驗8結果顯示於圖7,記綠71-75依次增加氣含量,顯示 •9- 1_________ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(2丨0X297公釐) I---------裝------訂------良 (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁〕 . 455566 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明(
Li : F比例中接近平衡之F在容量及循環能力之改良。 實例7 用實例4 X = 〇.2之一系列化合物製備電池,以上述方法試 驗。結果顯示於圖8 ’記錄81-85依次增加氟含量,顯示在 Li : F比例中仍接近平衡之F之近一步影響,特別是在循環 能力上。 實例9 含陽離子(C r)及陰離子取代物二者之一系列本發明化合 物 ’ Li|+xMyMn2-x-y〇4-zF;j,此處 X = 0、y = 0.2且 z = 0、0 〇5 及0.1,以上述方法經由結合適當計量之前身物製備,例如 10.3:2.3 1:1.〇:〇.〇86重量比之1^11〇2、1^2(:03、(:1'203及
LiFaiCruMnnOwFow)。用產生之材料製備試驗電池, 其表現之改良和前面之結果相比較如圖9所示,記綠92_96 依次增加氟含量。陽離子Co及以取代物可得到相似之結 果。. 實例1 0 以實例6足正電極材料製備一系列鋰離子電池,並使石油 焦碳負電極與偏二由乙烯共聚物基質電解f/分隔板元素, 3同上美國專利5,460,904號所描述。重覆充電循環試驗 顯示電池容量及循環能力,與實例6相比較。 I預期本發明(其他具體實施對熟練之王匠將成爲 二前又所述見解中,且這些改變預定包括在本發明範固 内,如砰述於附加申請專利範圍中。 H--I---- i n - - I I n -- I τ ^^-9 (諳先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

  1. 5 5 5 6 6 第86112903號牟利申請案 中文中請專利範团修正本(88年12月)ce A8 B8 D8
    :··牟沁労
    經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 1 . 一種鋰鉦氧氟化物,其具有通式LihxMyMn2.x.y04.zFz, 其中Μ為過渡金屬而χ<〇·4,y幺0,3且〇.〇5<zS 1.0。 2 _根據申請專利範固第i項之化合物,其中M為c〇、Cr或 F e 3 ·根據申請專利範圍第2項之化合物,其中x $ 0.2,y = 〇 且 0.0 5 s ζ $ 0 · 4。 4‘根據申請專利範園第2項之化合物,其中〇,丨$ χ $ 0ι2 , y = 0且0.05 < ζ< 0,4。 5·根據申請專利範圍第2項之化合物,其中〇」s x s 〇·2, y = 〇且0.05 2 z S 0.2。 6. 根據申請專利範圍第2項之化合物,其中0.05 < x s 0.2, y S 0.3且 0·〇5 S z S 0_2。 7. —種可再充電電池,其包含正電極,負電極及配置於其 間之分隔板,其特徵為 該正電極包含具有通式為LiuxMyMi^+yOkFz之夾入 化合物’其中Μ為過渡金屬’而X < 0.4,y S 0.3 且0.05 < 1.0 。 8_根據申請專利範圍第7項之可再充電電池,其中Μ為 Co、Cr*Fe。 9.根據申請專利範圍第8項之可再充電電池,其中X S 〇·2, y = 0且0.05 < z S 0·4。 1 〇根據申請專利範圍第8項之可再充電電池,其中 0.1 s X S 0.2,y = 0且0.05 S z S 0.4 ° 11.根據申請專利範圍第8項之可再充電電池,其中 本紙張尺>1ΐΑ用巾u SI家標準(CNS ) A4j^ ( 2丨D χ 297公董) ---------裝---- I - "* >πV - I--- - IT (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) ο 5 6 6 Α8 Β3 C8 D8 申請專利範圍 0.1 S X < 0·2 * y =.0且 0.05 S z S 0.2。 12.根據申請專利範圍第8項之可再充電電池,其中 0.05 S X 5 0.2,y = 0.3且 0.05 < z S 0.2。 --------—裝-----·丨訂--------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經漭部中央標皂局員工消費合作社印^ -2- 本纸掁尺度通用中國國家標丰(CNS ) A4iUM 210X297公釐)
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