正极活性材料、正极和锂可充电电池制造技术

技术编号:15622120 阅读:244 留言:0更新日期:2017-06-14 05:05
本发明专利技术的实施例涉及一种正极活性材料、一种包括该正极活性材料的电极和一种包括该电极的锂电池。由于在所述正极活性材料中包括具有橄榄石结构的磷酸盐化合物和锂镍复合氧化物,因此所述正极活性材料具有高导电率和高电极密度。使用该正极活性材料制造的锂电池具有高容量和良好的高倍率特性。

【技术实现步骤摘要】
正极活性材料、正极和锂可充电电池本申请是申请日为2012年3月9日、申请号为201210061679.6、题为“正极活性材料、正极和锂可充电电池”的专利申请的分案申请。
本专利技术涉及正极活性材料、包括该正极活性材料的电极和包括该电极的锂电池。
技术介绍
近来,锂二次电池作为用于小型和便携式电子装置的电源而备受关注。锂二次电池使用有机电解液,由于有机电解液的使用,所以锂二次电池的放电电压是使用碱水溶液的传统电池的放电电压的两倍。因此,锂二次电池具有高的能量密度。作为用在锂二次电池中的正极活性材料,常使用嵌入锂离子并包括锂和过渡金属的氧化物。这样的氧化物的示例是LiCoO2、LiMn2O4和LiNi1-x-yCoxMnyO2(0≤x≤0.5,0≤y≤0.5)。预计未来对中至大尺寸的锂二次电池的需求将增加。在中至大尺寸的锂二次电池中,稳定性是重要的因素。然而,虽然含锂的过渡金属氧化物具有良好的充电和放电特性以及高能量密度,但是它们具有低的热稳定性,因此,不符合中至大尺寸的锂二次电池的稳定性要求。基于橄榄石的正极活性材料(例如,LiFePO4)即使在高温下也不产生氧,这是因为磷和氧彼此共价结合。因此,如果在电池中使用基于橄榄石的正极活性材料,则由于基于橄榄石的正极活性材料的稳定的晶体结构,所以电池可以具有良好的稳定性。因此,正在对使用基于橄榄石的正极活性材料的稳定的大尺寸锂二次电池的制造进行研究。然而,如果利用用于实现锂离子的有效嵌入和脱嵌的纳米粒子形式的基于橄榄石的正极活性材料来制造电极,则电极具有低的密度。为了克服低导电率,与其它活性材料相比,使用相对更多量的导电剂和粘结剂,使得电极制造过程中导电剂的均匀分散变得困难,并得到具有低能量密度的电极。
技术实现思路
本专利技术的一个或多个实施例包括一种能够提高电池的导电率和电极密度的正极活性材料。本专利技术的一个或多个实施例包括一种包括该正极活性材料的电极。本专利技术的一个或多个实施例包括一种包括该电极的锂电池。根据本专利技术的一个或多个实施例,一种正极活性材料包括大约70重量(wt)%至大约99wt%的具有橄榄石结构的磷酸盐化合物和大约1wt%至大约30wt%的锂镍复合氧化物。根据本专利技术的一个或多个实施例,一种电极包括该正极活性材料。根据本专利技术的一个或多个实施例,一种锂电池包括作为正极的该电极、面对该正极的负极以及在正极和负极之间的分隔件。根据本专利技术的一个或多个实施例的正极活性材料包括具有橄榄石结构的磷酸盐化合物和锂镍复合氧化物。由于包括磷酸盐化合物和锂镍复合氧化物,所以正极活性材料具有高的导电率和电极密度,因而得到包括该正极活性材料的具有高容量和良好的高倍率特性的锂电池。附图说明图1是根据本专利技术实施例的锂电池的示意性透视图。图2是按照根据示例14制造的锂二次电池的倍率的充电和放电结果的曲线图。图3是将根据示例11至示例15和对比示例8至对比示例11制造的锂二次电池的相对于LFP和NCA的混合物中的NCA的量的在2C倍率时的放电容量保持率进行比较的曲线图。图4是根据示例14制造的锂二次电池的相对于充电截止电压变化的充电和放电结果的曲线图。具体实施方式根据本专利技术实施例的正极活性材料包括大约70重量(wt)%至大约99wt%的具有橄榄石结构的磷酸盐化合物和大约1wt%至大约30wt%的锂镍复合氧化物。具有橄榄石结构的磷酸盐化合物可以由下面的式1表示:式1LiMPO4在式1中,M包括从Fe、Mn、Ni、Co和V中选择的至少一种元素。具有橄榄石结构的磷酸盐化合物可以是例如磷酸锂铁(LiFePO4)。具有橄榄石结构的磷酸盐化合物还可以包括与磷酸锂铁(LiFePO4)一起的作为掺杂剂的异质元素,例如Mn、Ni、Co、V或它们的组合。具有橄榄石结构的磷酸盐化合物(例如,磷酸锂铁(LiFePO4))由于PO4的四面体结构,所以抵抗由充电和放电引起的体积变化而在结构上是稳定的。具体地说,磷和氧彼此牢牢地共价结合,并具有良好的热稳定性。将参照LiFePO4的电化学反应式进一步对此加以描述。LiFePO4根据下面的反应式经历锂的嵌入和脱嵌。脱嵌:LiFePO4-xLi+-xe-→xFePO4+(1-x)LiFePO4嵌入:FePO4+xLi++xe-→xLiFePO4因为LiFePO4在结构上是稳定的,并且其结构类似于FePO4的结构,所以当重复地执行充电和放电时,LiFePO4可以具有非常稳定的循环特性。因此,具有橄榄石结构的磷酸盐化合物(例如,磷酸锂铁(LiFePO4))经历较小的由过充电产生的晶体结构的坍塌引起的容量减小,并产生较少的气体。因此,高稳定性磷酸盐化合物可以符合特别是大尺寸锂离子电池的稳定性要求。然而,在具有橄榄石结构的磷酸盐化合物中,氧原子是以六角形形式密集地填充的,因而锂离子不能顺利地移动,另外,由于其导电率低,所以电子不能顺利地移动。然而,根据本专利技术实施例的正极活性材料包括与具有橄榄石结构的磷酸盐化合物组合的具有分层结构和良好的导电率的锂镍复合氧化物。因此,与只使用具有橄榄石结构的磷酸盐化合物的材料相比,该正极活性材料可具有更高的导电率。另外,在按压过程中,与具有橄榄石结构的磷酸盐化合物相比,锂镍复合氧化物具有更高的活性质量密度。因此,可以克服具有橄榄石结构的磷酸盐化合物的低电极密度的特性,并且包括该正极活性材料的电池可具有高容量。根据本专利技术的实施例,锂镍复合氧化物可以是含有镍(Ni)的锂过渡金属氧化物,并可以由例如下面的式2表示。式2LixNi1-yM'yO2-zXz在式2中,M'包括从Co、Al、Mn、Mg、Cr、Fe、Ti、Zr、Mo和它们的合金中选择的至少一种金属。X是选自于O、F、S和P和它们的组合的元素。另外,0.9≤x≤1.1,0≤y≤0.5,并且0≤z≤2。更优选地,0≤y≤0.2。为了提高锂镍复合氧化物的高温耐久性,锂镍复合氧化物中含有的一些镍原子可以掺杂有从Co、Al、Mn、Mg、Cr、Fe、Ti、Zr、Mo和它们的合金中选择的至少一种金属。根据本专利技术的实施例,可以使用含有作为M'(在式2中)的Co和Al的NCA(镍钴铝)体系或含有作为M'的Co和Mn的NCM(镍钴锰)体系作为锂镍复合氧化物,以提高能量密度、结构稳定性和导电率。在一些实施例中,例如,锂镍复合氧化物可以是基于镍的化合物,例如LiNi0.8Co0.15Al0.05O2或LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2。在一些示例性实施例中,锂镍复合氧化物可以是锂镍钴铝氧化物。例如,锂镍钴铝氧化物可以由下面的式3表示:式3LixNi1-y'-y"Coy'Aly"O2在式3中,0.9≤x≤1.1,0<y'+y"≤0.2,并且0<y"≤0.1。例如,NCA体系的锂镍复合氧化物可以是诸如LiNi0.8Co0.15Al0.05O2的基于镍的化合物。同时,例如,NCM体系的锂镍复合氧化物可以是诸如LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2的基于镍的化合物。关于正极活性材料,如果锂镍复合氧化物的量过少,则提高导电率的效果是可忽略的。另一方面,如果锂镍复合氧化物的量过多,则包含该正极活性材料的锂电池是不稳定的。因此,具有橄榄石结构的磷酸盐化合物的量可以为大约70wt%至大约99wt%,锂镍复合氧化物本文档来自技高网
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正极活性材料、正极和锂可充电电池

【技术保护点】
一种用于锂可充电电池的正极,所述正极包括正极活性材料,所述正极活性材料包括:等于或大于70wt%且小于90wt%的具有橄榄石结构的磷酸盐化合物;以及大于10wt%且小于或等于30wt%的锂镍复合氧化物,其中,锂镍复合氧化物的平均粒径小于或大于具有橄榄石结构的磷酸盐化合物的平均粒径,其中,所述正极的活性质量密度为2.1g/cc或更大。

【技术特征摘要】
2011.03.09 US 61/451,017;2011.09.24 US 13/244,3921.一种用于锂可充电电池的正极,所述正极包括正极活性材料,所述正极活性材料包括:等于或大于70wt%且小于90wt%的具有橄榄石结构的磷酸盐化合物;以及大于10wt%且小于或等于30wt%的锂镍复合氧化物,其中,锂镍复合氧化物的平均粒径小于或大于具有橄榄石结构的磷酸盐化合物的平均粒径,其中,所述正极的活性质量密度为2.1g/cc或更大。2.如权利要求1所述的正极,其中,所述具有橄榄石结构的磷酸盐化合物包括由式1表示的化合物:式1LiMPO4其中,M选自于由Fe、Mn、Ni、Co、V和它们的组合组成的组。3.如权利要求2所述的正极,其中,所述磷酸盐化合物包括LiFePO4。4.如权利要求2所述的正极,其中,M包括Fe和至少一种异质元素的组合。5.如权利要求4所述的正极,其中,所述异质元素选自于由Mn、Ni、Co、V和它们的组合组成的组。6.如权利要求1所述的正极,其中,所述锂镍复合氧化物包括由式2表示的含镍的锂过渡金属氧化物:式2LixNi1-yM'yO2-zXz其中:M'是从由Co、Al、Mn、Mg、Cr、Fe、Ti、Zr、Mo和它们的合金组成的组中选择的至少一种金属;X是从由O、F、S、P和它们...

【专利技术属性】
技术研发人员:金俊植李宗勋金性洙李栖宰申政淳
申请(专利权)人:三星SDI株式会社
类型:发明
国别省市:韩国,KR

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