低聚磷酸盐基电极活性材料及其制备方法技术

发明专利技术提供了一种电化学电池，该电化学电池包括第一电极、作为第一电极反电极的第二电极，以及插入其间的电解质材料。第一电极包括的活性材料具有含碱金属的低聚磷酸盐基电极活性材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】低聚磷酸盐基电极活性材料及其制备方法
本专利技术涉及用作电极活性材料的低聚磷酸盐基材料，制备这种材料的方法，以及使用这种材料的电化学电池。
技术介绍
电池组由一个或多个电化学电池构成，其中每个单电池通常包括正电极、负电极，和电解质或促进离子电荷载体在负电极和正电极之间迁移的其它材料。当对电池充电时，阳离子从正电极往电解质迁移，同时从电解质往负电极迁移。在放电的时候，阳离子从负电极往电解质迁移，同时从电解质迁移至正电极。这种电池一般包括具有晶格结构或框架的电化学活性材料，该晶格结构或框架能使离子被抽取出来并随后重新插入，和/或使离子被嵌入或插入并随后被抽取出。通常，正电极活性材料应该显示出阳离子(例如，Li+，Na+等)的高反应自由能，能释放和插入大量的阳离子，在阳离子插入和抽取时保持晶格结构，使阳离子快速扩散，具有良好的电导率，在电池的电解质系统中不易溶解，以及制备容易且经济。遗憾的是，许多现有的电极材料在制备上不经济，无法提供充足的电压，充电容量不够，或在多次循环中会丧失再充电能力。因此，目前非常需要一种具有更好的充电容量、制备经济、能提供充足的电压、以及在多次循环中保持容量的电极活性材料。专利技术简述本专利技术提供了一种含有碱金属的新型低聚磷酸电极活性材料，其由下面的名义通式表示：                        AaMbXcO(3c+1)-->其中，(a)A是至少一种碱金属，且0＜a≤6；(b)M是至少一种氧化还原活性元素，其中1≤b≤4；(c)X选自P，As，Sb，Si，Ge，V，S及其混合物，并且(d)2≤c≤5；其中，所选的A，M，X，a，b和c能使材料保持电中性。本专利技术还提供了一种使用本专利技术所述电极活性材料的电极。还提供了一种电池，它包括具有本专利技术电极活性材料的第一电极；具有相容活性材料的第二电极；以及电解质。在一个实施方式中，本专利技术新的电极材料被作用正电极(阴极)活性材料，与相容性负电极(阳极)活性材料一起可逆循环碱金属离子。本专利技术的记载本专利技术的新型电极材料、电极和电池比本领域现有的此类材料和装置具有更有利的优点。这些优点包括容量增加、离子和电传导性提高、循环能力提高，可逆性提高和成本降低这些优点中的一种或多种。本专利技术的特定优点和实施方式可以从下述的详细记载中得出。需要理解的是，本专利技术的详细记载和特定的实施例，仅仅是优选的实施方式，用于示意性说明，而非用来限定本专利技术的范围。本专利技术提供了一种用于产生电的电化学电池中的电极活性材料。每个电化学电池包括正电极、负电极和电解质，在与正电极和负电极的离子迁移关系中，电解质作为正电极和负电极之间迁移离子电荷的载体。“电池组”是指具有一个或多个产生电的电化学电池的装置。两个或多个电化学电池可被结合或堆叠起来以获得多电池的电池组。本专利技术的电极活性材料可用在负电极、正电极或两者中。优选地，本专利技术的活性材料用在正电极中。在此所用的术语“负电极”和“正电极”是指在电池放电时能分别发生氧化和还原反应的电极；在电池充电时，氧化和还原的位置颠倒过来。电极活性材料：本专利技术提供了一种低聚磷酸盐基电极活性材料(在此称为“电极活性材-->料”)。该电极活性材料具有名义通式(I)：                AaMbXcO(3c+1)           (I)术语“名义通式”是指各元素(例如A，M，X和O)的相对比例在2％至5％的范围内略有变化，更典型的是在1％至3％的范围内。通式(I)中的A是碱金属或碱金属的混合物。在一个实施方式中，A选自Li(鋰)、Na(钠)、K(钾)及其混合物。A也可以是Li和Na的混合物，Li和K的混合物，或Li、Na和K的混合物。在另一个实施方式中，A是Na，或Na和K的混合物。在一个优选的实施方式中A是Li。如本文所用的，元素、材料或其它组分的种类(从中选择单个组分或组分混合物)是希望包括所列举的组分及其混合物的所有可能的亚种组合。此外，词汇“优选”是指在某些环境下能提供某些优点的本专利技术实施方式。但是，其它的实施方式在相同或不同环境下也可能是优选的。进而，所述的一个或多个优选的实施方式并不意味着其它实施方式是不利的，它没有排除其它的实施方式。应该存在足量的碱金属(A)，以使所有的“氧化还原活性”元素M(下文会定义)进行氧化/还原。在一个实施方式中，0＜a≤6。在另一个实施方式中，1＜a≤5。除非另有其它定义，等于(“＝”)、小于等于(“≤”)或大于等于(“≥”)某个数值的变量包含约等于或从功能上等于该值的数值或范围。氧化还原活性元素M的氧化状态的改变(或M由一种以上的元素组成时，这些元素中的至少一种元素氧化状态发生改变)伴随着从电极活性材料中去除碱金属。在电极活性材料中能用来氧化的M的量决定了可被去除的碱金属的量。这些内容都是本领域所公知的，例如可参见Fraioli提出并于1984年10月16日授权的美国专利4,477,541，以及Barker等提出并于2000年10月24日授权的美国专利6,136,472。再回到通式(I)中，M包括至少一种氧化还原活性元素。在此所用的术语“氧化还原活性元素”所指代的元素包括当电化学电池在正常工作条件下工作时，能从氧化/还原态转换到另一个氧化态的元素。术语“正常的工作条件”是指电池充电所需的电压，而该电压反过来又依赖于用来构建电池的材料。本专利技术所用的氧化还原活性元素包括选自元素周期表第4-11族的元素，以及非过渡金属，不受限制地包括Ti(钛)，V(钒)，Cr(铬)，Mn(锰)，Fe(铁)，-->Co(钴)，Ni(镍)，Cu(铜)，Nb(鈮)，Mo(钼)，Ru(钌)，Rh(铑)，Pd(钯)，Os(锇)，Ir(铱)，Pt(铂)，Au(金)，Si(硅)，Sn(锡)，Pb(铅)，及其混合物。优选第一行的过渡金属(周期表的第4周期)，也即选自Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu以及它们的混合物。在一个实施方式中，M选自Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Si，Sn，Pb以及它们的混合物。“族”是指如目前IUPAC周期表所规定的周期表的族数(即列)。参见由Barker等提出并于2000年10月24日授权的美国专利6,136,472。此外，词汇“包括”及其变形是非限制的，使得列表中的项不排除其它可能的用于本专利技术材料、组合物、装置和方法的项。在一个实施方式中，M＝M′lM″m，其中(l+m)＝b，如上所定义的，M′和M″每个都是氧化还原活性的。在另一个实施方式中，M′和M″各自独立地选自Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Mo，W和它们的混合物。在另一个实施方式中，M′和M″至少之一是非氧化还原活性元素。此处所指的“非氧化还原活性元素”包括能形成稳定活性材料的元素，当电极活性材料在正常工作条件下工作时，这些元素不会进行氧化/还原。在此处所用的非氧化还原活性元素不加限制地包括选自第2族的元素，尤其是Be(铍)，Mg(镁)，Ca(钙)，Sr(锶)，Ba(钡)；第3族的元素，尤其是Sc(钪)，Y(钇)，以及镧系元素，尤其是La(镧)，Ce(铈)，Pr(镨)，Nd(钕)，Sm(钐)；第12族的元素，尤其是Zn(锌)和Cd(镉)；第13族的元素，尤其是B(硼)，Al(铝)，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由名义通式Ａ↓［ａ］Ｍ↓［ｂ］Ｘ↓［ｃ］Ｏ↓［（３ｃ＋１）］表示的化合物，其中，（ａ）Ａ是至少一种碱金属，且０＜ａ≤６；（ｂ）Ｍ是至少一种氧化还原活性元素，其中１≤ｂ≤４；（ｃ）Ｘ选自由Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｓ ｉ，Ｇｅ，Ｖ，Ｓ及其混合物构成的组中，并且（ｄ）２≤ｃ≤５；所选的Ａ，Ｍ，Ｘ，ａ，ｂ和ｃ使化合物保持电中性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-4-8 10/409,8491.一种由名义通式AaMbXcO(3c+1)表示的化合物，其中，(a)A是至少一种碱金属，且0＜a≤6；(b)M是至少一种氧化还原活性元素，其中1≤b≤4；(c)X选自由P，As，Sb，Si，Ge，V，S及其混合物构成的组中，并且(d)2≤c≤5；所选的A，M，X，a，b和c使化合物保持电中性。2.权利要求1所述的化合物，其中A选自由Li、Na、K和它们的混合物构成的组中。3.权利要求2所述的化合物，其中A是Li。4.权利要求1所述的化合物，其中M选自由Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Si，Sn，Pb和它们的混合物构成的组中。5.权利要求1所述的化合物，其中M为M′lM″m，M′是至少一个氧化还原活性元素，M″是至少一个非氧化还原活性元素，且1+m＝b。6.权利要求5所述的化合物，其中M′选自由Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Si，Sn，Pb和它们的混合物构成的组中。7.权利要求6所述的化合物，其中M″选自由Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Cd和它们的混合物构成的组中。8.权利要求6所述的化合物，其中M″选自由Sc，Y，La，B，Al，Ga，In和它们的混合物构成的组中。9.权利要求5所述的化合物，其中M″选自由Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Cd和它们的混合物构成的组中。10.权利要求5所述的化合物，其中M″选自由Sc，Y，La，B，Al，Ga，In和它们的混合物构成的组中。11.权利要求1所述的化合物，M＝M1dM2eM3f，其中(a)M1是至少一个氧化还原活性元素；(b)M2是至少一个2+氧化态的非氧化还原活性元素；-->(c)M3是至少一个3+氧化态的非氧化还原活性元素；以及(d)(d+e+f)＝b；所选择的A，M1，M2，M3，X，a，c，d，e和f使化合物保持电中性。12.权利要求11所述的化合物，其中M1选自由Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Si，Sn，Pb和它们的混合物构成的组中。13.权利要求11所述的化合物，其中M2选自由Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Cd和它们的混合物构成的组中。14.权利要求11所述的化合物，其中M3选自由Sc，Y，La，B，Al，Ga，In和它们的混合物构成的组中。15.权利要求1所述的化合物，其中X是P。16.权利要求15所述的化合物，其中A是Li。17.权利要求1所述的化合物，其中X是P和Si的混合物。18.一种电池，其包...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰里米巴克，M耶齐德赛义迪，
申请(专利权)人：威伦斯技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]