用于锂电池的电极材料制造技术

将钽取代到单斜磷酸铌的晶格中导致了改进的可逆性、近似0％的不可逆损失、以及在大晶粒材料中的相似的优异的20C高倍率行为而无需形成电子传导纳米复合材料。钽取代到五磷酸铌中使能够稳定改进制造单斜磷酸铌相的困难。此类钽‑取代的磷酸铌对于用作锂电池或锂离子电池中的电极示出了优异的潜力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于锂电池的电极材料相关申请的交叉引用本申请要求美国临时专利申请号62/263,993的权益，该临时专利申请的申请日为2015年12月7日并且通过引用以其整体结合在此。政府资助声明本文披露的专利技术是在政府支持下根据来自美国政府的合同进行的。美国政府享有本专利技术的某些权利。
本专利技术总体上涉及电化学电池单元及其制造方法。更确切地说，本专利技术涉及一种取代的磷酸铌材料，该材料适合用作锂电池或锂离子电池的电极。
技术介绍
对更持久电池供电装置如便携式电子器件和电动车辆的需求的增加产生了对提供更高能量和功率密度的储能技术的需要。锂离子电池(最早由索尼公司(Sony)在1991年商品化)的相对缓慢的进展表明了对满足消费者需求和期望的新电极材料的需要。在过去几十年中，由于若干固有优势，含有磷酸基(PO4)的嵌入材料已经获得关注。该PO4基团的稳健结构提供了允许长期循环以及高离子扩散速率的开放式3D网络。该PO4基团的固有稳定性来源于磷-氧共价键的四面体配位，这些磷-氧共价键产生了若干希望的特性，包括耐热降解性和耐过充电性。最众所周知的磷酸盐，磷铁锂矿LiFePO4，在1997年首次被引入。这种类型LiMPO4(M＝Co、Cu、Fe、Mn、Ni)的磷酸化橄榄石(phospholivine)是廉价的、环境友好的、但低能量的阴极材料，该阴极材料需要各种导电添加剂以使得实现异常地高的功率。在此开创性工作之后，对用于锂电池中的正电极和负电极的磷酸盐嵌入化合物存在极大关注。还对金属磷酸盐作为模型嵌入材料进行了研究以促进对固有反应机理和局限性的理解，以阐明针对改进的电池技术的新途径。
技术实现思路
在本专利技术的实施例中，组合物包含具有式MxNb(1-x)PO5的取代的磷酸铌，其中M是一种或多种过渡金属。在实施例中，这些过渡金属的每一种是来自第5族和第6族中的一种。在实施例中，该一种或多种过渡金属包含钽。在实施例中，该一种或多种过渡金属取代了高达20％的铌(即，x≤0.20)。在实施例中，该一种或多种过渡金属取代了高达10％的铌(即，x≤0.10)。在实施例中，该一种或多种过渡金属取代了高达5％的铌(即，x≤0.05)。在实施例中，该一种或多种过渡金属取代了高达2％的铌(即，x≤0.02)。在实施例中，该一种或多种过渡金属取代了高达1％的铌(即，x≤0.01)。在实施例中，该取代的磷酸铌主要呈单斜晶体形式。在实施例中，至少80％的该取代的磷酸铌是呈单斜晶体形式。在实施例中，至少90％的该取代的磷酸铌是呈单斜晶体形式。在实施例中，至少95％的该取代的磷酸铌是呈单斜晶体形式。在实施例中，该取代的磷酸铌基本上由其单斜晶体形式组成。在实施例中，该取代的磷酸铌具有晶体结构，该晶体结构具有的晶格参数为并且β角＝120.7°(+/-1°)。在实施例中，该取代的磷酸铌基本上不含非晶态物质。在实施例中，该取代的磷酸铌存在于锂电池的电极中。在实施例中，该取代的磷酸铌存在于锂离子电池的电极中。在实施例中，该取代的磷酸铌存在于锂电池中的正电极中。在实施例中，该取代的磷酸铌存在于锂电池中的负电极中。附图说明为了更全面地理解本专利技术，参考以下结合附图考虑的示例性实施例的详细描述，在这些附图中遍及若干视图类似的结构通过类似的数字提及，并且其中：图1是Nb2O5-P2O5相图；图2是使用根据本专利技术的实施例的固态方法合成的磷酸铌的一组x射线衍射图谱；图3是根据本专利技术的实施例的钽-取代的磷酸铌的一组x射线衍射图谱；图4A-4E是根据本专利技术的实施例的具有不同量的钽的锂化的钽-取代的磷酸铌的放电特征曲线(profile)；图5A是根据本专利技术的实施例的具有不同量的钽的锂化的钽-取代的磷酸铌的容量保持率的百分比作为放电循环次数的函数的曲线图；图5B是根据本专利技术的实施例的具有不同量的钽的锂化的钽-取代的磷酸铌的容量保持率的百分比作为放电倍率的函数的条形图；图6A是根据本专利技术的实施例的未取代的锂化的磷酸铌的电压特征曲线；图6B是图6A的该未取代的锂化的磷酸铌在扩展循环中根据本专利技术的实施例循环到不同截止电压的放电容量保持率的曲线图；图7A-7E是根据本专利技术的实施例的未取代的锂化的磷酸铌在不同截止电压下在循环1和循环85下的电压特征曲线；图8是根据本专利技术的实施例的具有不同量的钽的锂化的钽-取代的磷酸铌的百分比容量保持率对循环次数的曲线图；图9A-9C是循环至降低电压和更高的锂含量的磷酸钽的一组电压特征曲线；图10是根据本专利技术的实施例的具有不同量的钽并且在不同截止电压下的锂化的钽-取代的磷酸铌的一组PITT电压与响应电流的特征曲线；图11是根据本专利技术的实施例的具有不同量的钼并且在不同截止电压下的锂化的钼-取代的磷酸铌的一组PITT电压与响应电流的特征曲线；图12A-12D是根据本专利技术的实施例的具有0％钽并且在不同电压下的磷酸铌的具有Rietveld分析的x射线衍射图谱；图13包括具有不同锂化程度并且在随附电压特征曲线(下图)中指示的不同充电状态下的未取代的锂化的磷酸铌的一组x射线衍射图谱(上图)；并且图14包括具有10％的钽和不同锂化程度并且在随附电压特征曲线(下图)中指示的不同充电状态下的锂化的磷酸铌的一组x射线衍射图谱(上图)。具体实施方式在实施例中，本专利技术有利地采用了在单斜β-相磷酸铌(β-NbPO5)中结晶相变和金属离子取代的影响来产生用于锂电池和锂离子电池的新颖的电极材料。纯β-NbPO5的较低电压相变的隔离在改进材料的长期循环稳定性方面高度有效。通过使用基于阳离子例如五价钽(Ta5+)的有效的固溶体对循环稳定性的类似影响进行了鉴别。所产生的材料展现出了优异的循环稳定性，以及异常地低的第一循环不可逆损失，而不需要含碳的纳米复合材料。出人意料地，Ta-取代的β-NbPO5还示出了非常快的倍率性能(充电和放电)。如图1(改编自Levin,E.M.和Roth,R.S.，TheSystemNiobiumPentoxide-PhosphorusPentoxide.[五氧化二铌-五氧化二磷体系]，J.SolidStateChem.[固体化学杂志]，2,250-261(1970)，通过引用以其整体结合在此)沿着相图的50:50线组成(linecomposition)所显示的，NbPO5以两种同素异形体形式存在：(1)低温四方α-NbPO5以及(2)高温单斜β-NbPO5。单斜晶胞还可以用简化的斜方晶系亚晶胞指示，其中关系为：＝amsin，bo＝bm，co＝cm/2。β-NbPO5是单磷酸盐钨青铜系列的第二成员(m＝2)，这些单磷酸盐钨青铜系列具有遵循Ax(WO3)2m(PO2)4(A＝Ag、Na、Li)结构的五边形的孔洞。该结构由通过具有ReO3-型链的PO4四面体分开的NbO6八面体组成，并且与TaPO5、TaVO5、TiSO5、ε-VPO5、以及WPO5是同构的。这些五边形的孔洞使[010]晶轴变弱，允许小原子例如Li的插入，使能够实现对于电化学储能的优异特性。此组材料得益于聚阴离子的诱导效应，该效应产生了比过渡金属氧化还原的标准还原电势更高的电压。这是由于氧原子被永久极化朝向电负性更强的PO4四面体，因此降低了M-O键的共价特性并且增加了M5+/M4+氧化还原对的电势。在现有技术中已本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种组合物，其基本上由铌、钽、磷、以及氧组成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.07 US 62/263,9931.一种组合物，其基本上由铌、钽、磷、以及氧组成。2.一种组合物，其基本上由Nb(1-x)MxPO5组成，其中，M是选自第5族过渡金属和第6族过渡金属中的至少一种过渡金属，并且其中，x是大于0且小于1的值。3.一种组合物，其基本上由Nb(1-x)MxPO5组成，其中，M选自下组，该组由以下各项组成：钽、钒、铬、钼、钨、以及其任何组合，并且其中，x是大于0且小于1的值。4.如权利要求2所述的组合物，其中，M是钽。5.一种组合物，其包含Nb(1-x)TaxPO5和至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：格伦·G·阿马图奇，马修·Y·鲁，法德瓦·拜德威，
申请(专利权)人：新泽西州立拉特格斯大学，
类型：发明
国别省市：美国,US