制备碳包覆的锂金属聚阴离子粉末的方法技术

本发明专利技术提供锂离子电池中性能改善的电池阴极材料的制备方法。在一个实施方案中，该方法包括合成锂金属聚阴离子（ＬＭＰ）粉末。该方法进一步包括将碳质包覆层沉淀到ＬＭＰ粉末上，从而形成包覆的ＬＭＰ粉末。此外，该方法包括对包覆的ＬＭＰ粉末进行稳定化、然后进行碳化，从而制造出电池阴极材料。电池阴极材料的充电容量、库仑效率及循环寿命比未包覆的ＬＭＰ粉末的更好。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及的领域一般为碳包覆的粉末的制备。更具体地说，本 专利技术涉及制备碳包覆的锂金属聚阴离子(polyanionic)粉末。
技术介绍
锂钴氧化物(LiCo02)是目前应用的锂离子电池的阴极材料。由于 LiCo02价格昂贵、对环境有害且具有热不稳定性，锂离子电池的应用 目前仅限于便携式电子设备。如果能够找到一种廉价且环境友好性的 化合物以取代锂离子电池中的LiCo02，则锂离子电池可以成为许多其 它应用中的电池选择，例如电动工具及电动车。因此，已经开始研究 用于取代锂电池产品应用中的LiCo02的替代性化合物，这种应用中要 求高充/放电速率和适中至高的温度。特别来说，替代性的含锂无机化合物显示出可以取代LiCo02的前 景。然而研究表明，这种化合物实际测量的充电容量低于它们的理论 容量。通常是通过使粒子超细、向该化合物中掺杂其它元素或使该化 合物共混/包覆碳来解决提高这种电池性能的问题。这些方法涉及到诸 如溶胶-凝胶过程的耗时步骤；因此，它们在成本上可能是不划算的， 因为除了化合物前体本身之外还要消耗额外的化学品，例如胶凝剂和螯合剂。因此，有必要找到一种制备电池阴极材料的经济方法。另外的需 求包括提高诸如阴极材料充电容量和库仑效率的电池性能的方法。
技术实现思路
锂金属聚阴离子(LMP)化合物具有许多可作为锂离子电池阴极材 料的瞩目性能。然而，这种材料是电子绝缘体。因此，该材料本身的 电池性能可能不足以实际应用。因此本文描述制备电池阴极材料和提高其性能的方法。该方法涉及用碳质包覆层来包覆LMP粉末，从而形 成具有改善的充电容量、库仑效率、电子导电率和离子导电率的阴极 材料。制备电池阴极材料的该方法克服了常规的锂离子电池阴极材料 制备当中的问题。该方法简单而快捷。在一个实施方案当中，通过制备电池阴极材料的方法解决了现有 技术中的这些需求以及其它方面的需求。该方法包括提供LMP粉末。 该方法进一步包括将碳质材料沉淀到LMP粉末上，从而形成包覆的 LMP粉末。此外，该方法包括碳化该包覆的LMP粉末，从而生成电池 阴极材料，其中该电池阴极材料的电导率〉相应未包覆材料的电导率的 10倍。在另一实施方案中，提高LMP粉末充电容量的方法包括将碳质材 料沉淀到LMP粉末上，从而形成包覆的LMP粉末。该方法还包括碳 化该包覆的LMP粉末，从而将LMP粉末的充电容量提高至少10%。仍在进一步的实施方案中，提高LMP粉末的库仑效率的方法包括 将碳质材料沉淀到LMP粉末上，从而形成包覆的LMP粉末。该方法 还包括碳化该包覆的LMP粉末，从而将LMP粉末的库仑效率提高至 少10%。前面已经相当广泛地概括了本专利技术的特征和技术优势，从而可以更好地理解随后对本专利技术进行的详细描述。下文将描述形成本专利技术权 利要求主题的本专利技术的附加特征及优点。本领域的技术人员应意识到， 可以很容易地以所披露的概念及具体的实施方案为基础，以此修改或 设计其它的结构，用以实现与本专利技术相同的目的。本领域的技术人员 还应当意识到，这种等价的结构并不偏离由所附权利要求确定的本发 明的实质和范围。附图说明为了详细描述本专利技术的优选实施方案，现在可以参考附图，其中图1为经不同温度热处理的碳包覆的与未包覆的LiFeP04粉末的 第一次循环的电位曲线比较；和图2所示为经不同温度热处理的碳包覆的及未包覆的LiFeP04粉 末的放电容量对循环次数的关系；和图3所示为未包覆的磷酸锂钒(LVP)电极在不同循环时的容量及库仑效率；和图4所示为碳包覆的LVP (C-LVP)电极在不同循环时的容量及库 仑效率；和图5所示为LVP/Li电池在恒流(CC)然后恒压(CV)充电及恒流放电 期间的第一次及第十次循环时的电池电压曲线；和图6所示为C-LVP/Li电池在恒流(CC)然后恒压(CV)充电及恒流放电期间的第一次及第十次循环时的电池电压曲线；和图7为未包覆的LVP、碳包覆的LVP和LiCo02电极之间在不同循环次数下的相对容量的比较。C-LVP图例中的"A"表示碳质材料包覆的基体在空气中稳定化；"N"表示用硝酸根离子稳定化；和图8所示为未包覆的LVP电极在不同循环时的容量及库仑效率，电极中没有添加另外的碳黑；和图9所示为碳包覆的LVP电极在不同循环时的容量及库仑效率；和图10所示为经热处理的LVP电极在不同循环时的容量及库仑效 率，电极中没有添加另外的碳黑；和图11为未包覆的LVP、经热处理的未包覆的LVP和碳包覆的LVP之间在不同循环次数下的容量比较；和图12所示为未包覆的LVP/Li电池在恒流(CC)然后恒压(CV)充电 及恒流放电期间的第一次及第十次循环时的电池电压曲线，其中LVP 电极不包含另外的碳黑；和图13所示为经热处理的LVP在恒流(CC)然后恒压(CV)充电及恒 流放电期间的第一次及第十次循环时的电池电压曲线。HT-LVP电极不 包含另外的碳黑；和图14所示为碳包覆的LVP/Li电池在恒流(CC)然后恒压(CV)充电 及恒流放电期间的第一次及第十次循环时的电池电压曲线。电极不包 含另外的碳黑。具体实施方案在一个实施方案中，可以按以下方式制备电池阴极材料a)提供 锂金属聚阴离子(LMP)粉末，b)将碳质包覆层沉淀至LMP粉末上，从 而形成包覆的LMP粉末，以及c)碳化该包覆的LMP粉末，从而生成 碳包覆的LMP粉末。在一个实施方案中，可以合成LMP粉末。可以 利用任何适当的反应完成LMP粉末的合成。在一些实施方案中，可以 通过化学计量的锂化合物、金属化合物和聚阴离子化合物的热固相反 应来合成LMP粉末。热固相反应可以在任何适当的温度下进行。比如， 温度可以介于约200。C至约1,000。C之间，或者介于约350。C至约850。C 之间。反应可以在任何适当的条件下进行。比如，反应可以在没有氧 的惰性条件下进行。可以使用的锂化合物的例子包括但不限于氢氧化锂、碳酸锂、乙 酸锂、草酸锂、其它锂盐或它们的组合。另外，可以使用任何适当的 金属化合物。在一个具体的实施方案中，LMP粉末包含过渡金属，例 如含有铁(Fe)、锰(Mn)、钴(Co)、镍(Ni)、铜、钒(V)、铬(Cr)的化合物 或它们的任意组合，但不限于这些。可以使用的金属化合物的例子包 括但不限于金属粉末、水合金属草酸盐、金属乙酸盐、金属氧化物、金属碳酸盐、金属盐或它们的组合。应该理解的是，LMP中的符号"M"代表第一过渡金属。此外，可以使用本领域的技术人员已知的任何适当的聚阴离子化合物来合成LMP粉末。通常，聚阴离子可以包含但不限于硼(B)、磷(P)、 硅(Si)、砷(As)、铝(A1)、硫(S)、氟(F)、氯(C1)或它们的组合。这种聚 阴离子的例子包括但不限于B033\ P043—、 Si032'、 Si033—、 As033'、 AsCV、 A1033—、 A1CV、 SO,或它们的组合。可以用来合成LMP粉末的其它聚 阴离子包括氯(C1)氧阴离子，例如C1CT、 C10 、 C10/等。可以使用的 磷酸盐化合物的例子包括但不限于磷酸铵、磷酸、磷酸锂、磷酸盐或 它们的组合。应该理解的是，LMP中的符号"P"代表任何适当的聚阴 离子。可以合成出来的LMP粉末的例子包括但不限于磷酸锂铁 (LiFeP04)、磷酸本文档来自技高网...

【技术保护点】
制备电池阴极材料的方法，包括：　ａ）提供锂金属聚阴离子粉末；　ｂ）将碳质材料沉淀到锂金属聚阴离子粉末上，从而形成包覆的锂金属聚阴离子粉末；　ｃ）在约２０℃至４００℃之间的温度下对包覆的锂金属聚阴离子粉末进行稳定化；和　ｄ）对包覆的锂金属聚阴离子粉末进行碳化，从而制造出电池阴极材料，其中电池阴极材料的充电容量及循环寿命均提高至少约１０％。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛振华，爱德华J南尼，埃里克T林德，
申请(专利权)人：科诺科飞利浦公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]