用于锂离子电池的表面稳定阴极材料及其合成方法技术

本发明专利技术公开了一种由LiαCo(1‑x‑2y)Mex(M1M2)yOδ(式(I))表示的化合物，其中Me为Li、Mg、Al、Ca、Ti、Zr、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Ru和Sn中的一种或多种，并且其中0≤x≤0.3，0

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于锂离子电池的表面稳定阴极材料及其合成方法优先权本公开依据35U.S.C.§119(e)要求如下专利申请的权益：2016年9月21日提交的名称为“HighEnergyandStabilityfromNickel-ManganesePairsinLithiumCobaltOxide”(来自锂钴氧化物中镍-锰对的高能量和稳定性)的美国临时专利申请No.62/397,725；2016年9月21日提交的名称为“SurfaceStabilizedCathodeMaterialforLithiumIonBatteries”(用于锂离子电池的表面稳定阴极材料)的美国临时专利申请No.62/397,730；以及2017年6月26日提交的名称为“SurfaceStabilizedCathodeMaterialforLithiumIonBatteriesandSynthesizingMethodoftheSame”(用于锂离子电池的表面稳定阴极材料及其合成方法)的美国临时专利申请No.62/524,864，其中每一者全文以引用方式并入本文。美国政府许可权本专利技术基于WFO提案No.85F59在美国政府的支持下进行。本专利技术基于AppleInc.与ArgonneNationalLaboratory(隶属于美国能源部)之间的CRADA1500801进行。美国政府拥有本专利技术的某些权利。
本文所述的实施方案涉及用于基于锂离子的电池的电极。在特定实施方案中，电极组合物包括含镍和锰对或其他金属对的锂钴氧化物，它们采用规定的比例，用于实现高能量容量和稳定的电极。
技术介绍
锂离子电池是许多消费电子器件中使用的最流行类型的可再充电电池之一。由于与其他类型的电池相比其相对高的能量密度，锂离子电池可被制造成具有小尺寸并且因此被广泛地用于便携式电子设备中。随着便携式电子设备的能力的增加，便携式电子设备内包括更多的部件和特征，从而为电池留下更小的空间。因此，需要可在更小的电池中制造的更高体积能量密度的电极。此外，需要承受更多可逆充电-放电循环的更长寿命的电池。因此，存在对具有长期循环稳定性的高能量锂离子电池的需求。
技术实现思路
本公开描述了涉及具有镍-锰对或其他异质原子对的锂钴氧化物组合物的各种实施方案。异质原子对可以是金属对。锂钴氧化物组合物表现出高能量和循环稳定性。在第一方面，一种化合物由下式(I)表示：LiαCo(1-x-2y)Mex(M1M2)yOδ(式(I))其中Me选自Li、Mg、Al、Ca、Ti、Zr、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Ru和Sn中的一种或多种；其中M1为具有+2氧化态的金属；其中M2为具有+4氧化态的金属；并且其中0≤x≤0.3，0<y≤0.4，0.95≤α≤1.4且1.90≤δ≤2.10。根据另一个方面，化合物由下式表示：LiαCo(1-2y)(M1M2)yOδ(式(II))其中M1为具有+2氧化态的金属；其中M2为具有+4氧化态的金属；其中M1M2表示金属对；并且其中描述了0<y≤0.4，0.95≤α≤1.4且1.90≤δ≤2.10。根据另一个方面，化合物由下式表示：LiαCoβM3γ(M4M5)εOδ(式(III))其中M3是锰、镍、铝、镁、钛、锆、钙、钒、铬、铁、铜、锌、钌或其组合中的一种或多种；其中M4为具有+2氧化态的金属；其中M5为具有+4氧化态的金属；其中M4M5代表M4和M5对；并且其中0.95≤α≤1.4，0.3≤β≤1.0，0≤γ≤0.7，0<ε≤0.4且1.90≤δ≤2.10。在一些情况下，M4为镍、镁和锌中的一种或多种。在一些情况下，M5是锰、钛、锆、钌、锡和钒中的一种或多种。根据另一个方面，化合物由下式表示：LiαCoβ(M4M5)εOδ(式(IV))其中M4为具有+2氧化态的金属；其中M5为具有+4氧化态的金属；其中M4M5代表M4和M5对；以及其中描述了0.95≤α≤1.4，0.3≤β≤1.0，0<ε≤0.4且1.90≤δ≤2.10。根据附加方面，描述了颗粒。根据附加方面，描述了在单一颗粒中包含化合物的颗粒。在一个方面，颗粒包含选自下列的化合物：a)LiaCobM6cOδ式(V)其中M6是锰(Mn)、镍(Ni)、铝(Al)、镁(Mg)、钛(Ti)、锆(Zr)、钙(Ca)、钒(V)、铬(Cr)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)和钌(Ru)中的一种或多种；并且其中0.90≤a≤1.1，其中0.5≤b≤1.0，其中0<c≤0.5并且其中1.90≤δ≤2.10；以及(b)LiαCoβM3γ(M4M5)εOδ，式(III)其中M3是锰、镍、铝、镁、钛、锆、钙、钒、铬、铁、铜、锌、钌中的一种或多种，其中M4为具有+2氧化态的金属，其中M5为具有+4氧化态的金属，其中，M4M5代表M4和M5对，并且其中0.95≤α≤1.4，0.3≤β≤1.0，0≤γ≤0.7，0<ε≤0.4且1.90≤δ≤2.10。该颗粒包含由下式表示的化合物：(a)LiαCo(1-x-2y)Mex(M1M2)yOδ式(I)其中Me是Li、Mg、Al、Ca、Ti、Zr、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Ru和Sn中的一种或多种，其中M1为具有+2氧化态的金属；其中M2为具有+4氧化态的金属；其中M1M2表示金属对；并且其中0≤x≤0.3，0<y≤0.4，0.95≤α≤1.4且1.90≤δ≤2.10；以及(b)LiαCoβM3γ(M4M5)εOδ，式(III)其中M3是锰、镍、铝、镁、钛、锆、钙、钒、铬、铁、铜、锌、钌中的一种或多种，其中M4为具有+2氧化态的金属，其中M5为具有+4氧化态的金属，其中，M4M5代表M4和M5对，并且其中0.95≤α≤1.4，0.3≤β≤1.0，0≤γ≤0.7，0<ε≤0.4且1.90≤δ≤2.10。另选地，该颗粒可包含如本文所述的由式(II)和/或式(IV)表示的化合物。在各个方面，式(I)和式(III)化合物可以是不同的。该颗粒包括芯和设置在芯上的涂层。芯可以是在本领域中是已知的任何阴极活性材料。在一些变型中，芯可以是式(V)、式(I)或式(II)的化合物。此外，涂层可以是式(III)或式(IV)的化合物。根据另一个实施方案，描述了一种用于锂离子电池的阴极。该阴极包含上述组合物或组合物的组合。根据另外的实施方案，描述了一种合成用于锂离子电池的锂氧化物阴极活性材料的方法。该方法包括：使金属溶液与螯合剂和基础溶液在碱性pH下反应，以通过共沉淀方法形成颗粒溶液；洗涤、过滤和干燥颗粒溶液以收集氢氧化物前体颗粒；将收集的颗粒与锂盐共混；以及在第一升高的温度下使共混颗粒反应以产生基础颗粒。下文将详细描述本公开的这些方面和其他方面，应当理解，前述一般描述和以下详细描述均为示例性和解释性的，旨在提供对所要求的本公开的进一步解释。附图说明本公开通过下面结合附图的具体描述将更易于理解，其中类似的附图标号表示类似的结构元件。图1示出了根据一个例示性实施方案，锂钴氧化物组合物的钴氧化物部分的晶体结构模型；图2示出了根据一个例示性实施方案的曲线图，示出了锂钴氧化物材料之内金属对的数量和类型与相对总能量之间的关系；图3示出了根据一个例示性实施方案的曲线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种由式(I)表示的化合物：LiαCo(1‑x‑2y)Mex(M1M2)yOδ   式(I)其中Me选自Li、Mg、Al、Ca、Ti、Zr、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Ru和Sn中的一种或多种；其中M1为具有+2氧化态的金属；其中M2为具有+4氧化态的金属；其中M1M2代表M1和M2对；并且其中0≤x≤0.3，0<y≤0.4，0.95≤α≤1.4且1.90≤δ≤2.10。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.21 US 62/397,730;2016.09.21 US 62/397,725;1.一种由式(I)表示的化合物：LiαCo(1-x-2y)Mex(M1M2)yOδ式(I)其中Me选自Li、Mg、Al、Ca、Ti、Zr、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Ru和Sn中的一种或多种；其中M1为具有+2氧化态的金属；其中M2为具有+4氧化态的金属；其中M1M2代表M1和M2对；并且其中0≤x≤0.3，0<y≤0.4，0.95≤α≤1.4且1.90≤δ≤2.10。2.根据权利要求1所述的化合物，其中M1为Ni，并且M2为Mn。3.根据权利要求1所述的化合物，其特征在于三角晶体结构。4.根据前述权利要求中任一项所述的化合物，其中x为0。5.根据前述权利要求中任一项所述的化合物，其中0<y≤0.25。6.根据权利要求5所述的化合物，其中0.02≤y≤0.06。7.根据权利要求6所述的化合物，y为约0.04。8.根据权利要求5所述的化合物，其中0.05≤y≤0.09。9.根据权利要求8所述的化合物，y为约0.07。10.根据权利要求5所述的化合物，其中0.08≤y≤0.12。11.根据权利要求10所述的化合物，y为约0.10。12.根据权利要求5所述的化合物，其中0.14≤y≤0.18。13.根据权利要求12所述的化合物，y为约0.16。14.根据权利要求5所述的化合物，其中0.20≤y≤0.25。15.根据权利要求14所述的化合物，y为约0.22。16.一种颗粒，所述颗粒包含由下式表示的化合物：(a)LiaCobM6cOδ式(V)其中M6是锰(Mn)、镍(Ni)、铝(Al)、镁(Mg)、钛(Ti)、锆(Zr)、钙(Ca)、钒(V)、铬(Cr)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)和钌(Ru)中的一种或多种；并且其中0.90≤a≤1.1，其中0.5≤b≤1.0，其中0<c≤0.5，并且其中1.90≤δ≤2.10；以及(b)LiαCoβM3γ(M4M5)εOδ式(III)其中M3为Mn、Ni、Al、Mg、Ti、Zr、Ca、C、Cr、Fe、Cu、Zn、Ru中的一种或多种，其中M4为具有+2氧化态的金属，其中M5为具有+4氧化态的金属，其中M4M5代表M4和M5对，并且其中0.95≤α≤1.4，0.3≤β≤1.0，0≤γ≤0.7，0<ε≤0.4且1.90≤δ≤2.10。17.一种颗粒，所述颗粒包含由下式表示的化合物：(a)LiαCo(1-x-2y)Mex(M1M2)yOδ式(I)其中Me选自Li、Mg、Al、Ca、Ti、Zr、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Ru和Sn中的一种或多种，其中M1为具有+2氧化态的金属，其中M2为具有+4氧化态的金属，其中M1M2代表M1和M2对，并且其中0≤x≤0.3，0<y≤0.4，0.95≤α≤1.4且1.90≤δ≤2.10；以及(b)LiαCoβM3γ(M4M5)εOδ式(III)其中M3为Mn、Ni、Al、Mg、Ti、Zr、Ca、C、Cr、Fe、Cu、Zn、Ru中的一种或多种，其中M4为具有+2氧化态的金属，其中M5为具有+4氧化态的金属，其中M4M5代表M4和M5对，并且其中0.95≤α≤1.4，0.3≤β≤1.0，0≤γ≤0.7，0<ε≤0.4且1.90≤δ≤2.10。18.根据权利要求16所述的颗粒，其中0.95≤α≤1.1。19.根据权利要求16所述的颗粒，其中0<x≤0.3。20.根据权利要求16所述的颗粒，其中x为0。21.根据权利要求16所述的颗粒，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴宏力，王大鹏，吴惠明，F·C·斯特罗布里德格，J·D·卡特，C·S·约翰森，王晓平，H·H·伊迪，A·J·克罗普，李岩，V·A·马罗尼，A·D·邬，杨珍珍，A·古蒂雷兹，崔艳杰，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：发明
国别省市：美国,US