本发明专利技术提供电极活性材料，其包含锂或其它碱金属、锰、氧化态为+3的金属离子和任选的其它金属，以及磷酸盐部分。这样的电极活性材料包括通式为AaMnbMIcMIIdMIIIePO4的那些，其中(a)A选自由Li、Na、K及其混合物组成的组，且0＜a≤1；(b)0＜b≤1；(c)MI是氧化态为+3的金属离子，且0＜c＜0.5；(d)MII是金属离子、过渡金属离子、非过渡金属离子或其混合物，且0≤d＜1；(e)MIII是氧化态为+1的金属离子，且0＜e＜0.5；并且其中选择A、Mn、MI、MII、MIII、PO4、a、b、c、d和e，以保持所述化合物的电中性。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术要求于2009年9月M日提交的第61/245，504号美国申请的优先权。本专利技术涉及使用正极活性材料的电化学电池，所述电池具有提高了的性能。具体地，本专利技术涉及包含磷酸盐化合物的活性材料，所述磷酸盐化合物含有锂、锰和其它碱金属、金属和过渡金属。
技术介绍
电池是通过电化学氧化-还原反应将化学能转化成电能的装置。电池被用在各种各样的用途中，尤其是作为实际上不能被集中发电电源驱动(例如通过使用输电线的商业发电厂驱动)的装置的电源。电池可以被一般性地描述为包含三个组成部分阳极，其含有在电池放电过程中 (即，当其提供电能时)被氧化(产生电子)的材料；阴极，其含有在电池放电过程中被还原 (接受电子)的材料；以及电解质，其提供离子在阴极和阳极之间的转移。在放电过程中， 阳极是电池的负极，且阴极是正极。电池的更具体的特征可以是形成这三个组成部分中的每一个的具体材料。选择这些组成部分能够得到具有特定电压和放电特性的电池，所述特定电压和放电特性可被优化用于具体的应用。电池可以被一般性地分类为“一次电池”，其中电化学反应基本上是不可逆的，因此电池一旦被放电就不能再用；以及“二次电池”，其中电化学反应至少部分地是可逆的，从而电池能够被“再充电”并使用超过一次。在很多应用中，正更多地使用二次电池，因为它们方便(尤其是在很难换电池的用途中)、成本降低(通过减少替换的需要)以及对环境有益(通过减少电池处理的废物)。本领域中已知有多种二次电池系统。其中，最常见的系统包括铅-酸电池、镍-镉电池、镍-锌电池、镍-铁电池、氧化银电池、镍金属氢化物电池、可充电锌-锰二氧化物电池、锌-溴化物电池、金属-空气电池和锂电池。含有锂和钠的系统提供许多潜在的益处，因为这些金属质轻，同时具有高的标准电位。由于多种原因，锂电池在商业上尤其有吸引力， 因为它们具有高能量密度、更高的电池电压(cell voltage)和长的寿命。锂电池由一种或多种含有电化学活性(电活性)材料的锂电化学电池制备而成。 这样的电池包括具有金属锂阳极和金属硫族化物(氧化物)阴极的电池，其通常被称为“锂金属”电池。电解质通常包含溶解在一种或多种溶剂(通常为非水非质子有机溶剂)中的锂盐。其它电解质是固体电解质(通常为聚合基质)，其含有离子导电性(ion conductive) 介质(通常为溶解在有机溶剂中的含锂的盐)与聚合物(其本身可以是离子导电性的但电子绝缘的)的组合。具有金属锂阳极和金属硫族化物阴极的电池在初始条件下被充电。在放电过程中，锂金属在阳极处向外部电路给出电子。带正电荷的离子被产生，其经过电解质至阴极的电化学活性(电活性)材料。来自阳极的电子经过外部电路，驱动该装置，并回到阴极。另一锂电池使用“插入式阳极”，而不是锂金属，且通常被称为“锂离子”电池。插入式或“嵌入式”电极含有具有晶格结构的材料，可以将离子插入所述晶格结构中并随后将其抽出。离子不从化学上改变嵌入材料，而是轻微地扩张化合物的内部晶格长度，而不发生大量的键断裂或原子重组。插入式阳极含有例如锂金属硫族化物、锂金属氧化物或碳材料， 例如焦炭和石墨。这些负电极与含锂的插入式阴极一起使用。在它们的初始条件下，电池未被充电，因为阳极不含有阳离子源。因此，在使用前，这样的电池必须被充电以便将阳离子(锂)从阴极转移至阳极。在放电期间，锂随后从阳极被转移回阴极。在随后的再充电期间，锂再一次被转移回阳极，并在此处再次插入。锂离子(Li+)在充电和放电循环过程中在阳极和阴极之间的这种反复传输已导致这些电池被称为“摇椅式”电池。多种材料已被建议用作锂电池中的阴极活性材料。这样的材料包括例如Mo&、 MnO2,TiS2,NbSe3>LiCoO2,LiNiO2,LiMn2O4,V6O13^V2O5,S02,CuCl2O 在这种具有嵌入式电极的电池中，过渡金属氧化物(例如具有通式LixM2Oy的那些)是其中优选的材料。其它材料包括锂过渡金属磷酸盐，例如LiMnPCVLiFePO4和Li3V2 (PO4) 3。具有类似于橄榄石或NASIC0N 材料的结构的这种材料是本领域已知的。优选地，这样的阴极材料显示与锂反应的高自由能，能够释放和插入大量的锂，在锂的插入和抽出时保持其晶格结构，允许锂的快速扩散，提供良好的导电性，不显著溶于电池的电解质体系中，且可以容易地和经济地制造。然而，本领域已知的很多阴极材料缺少这些特性中的一种或多种。因此，例如，很多这样的材料不能经济地制造，提供的电压不足，具有的充电容量不足，或者在多次循环后失去其再次充电的能力。
技术实现思路
本专利技术提供了电极活性材料，其包含锂或其它碱金属、锰、氧化态为+3的金属离子以及任选的其它金属，以及磷酸盐部分。这样的电极活性材料包括通式为以下通式的那些AaMnbMIcMI IdMI I IePO4其中(a) A选自由Li、Na、K及其混合物组成的组，且0 < a彡1 ；(b) 0 < b ^ 1 ；(c)MI是氧化态为+3的金属离子，且0 < c < 0. 5 ；(d)MII是金属离子、过渡金属离子、非过渡金属离子或其混合物，且0彡d< 1 ；(e)MIII是氧化态为+1的金属离子，且0 < e < 0. 5 ；并且其中选择A、Mn、MI、MII、MIII、P04、a、b、c、d和e，以保持所述化合物的电中性。已经发现，本专利技术的电极材料提供优于例如LiMnPO4以及本领域已知的那些材料的益处。这些益处包括提高的容量。从本文给出的详细描述，本专利技术的具体益处和实施方式会是显而易见的。然而，应当理解，详细描述和具体实施例，表明了某些优选的实施方式， 仅是为了说明的目的，而不是旨在限定本专利技术的范围。附图的简要描述附图说明图1是说明本专利技术的非水电解质圆柱形电化学电池的结构的横截面示意图。图2显示实施例1 (c) ,2(b)和3 (a)的X射线衍射分析的结果。图3显示使用实施例1和2的材料的Li电池的比容量相对于倍率作图。图4显示使用实施例3的活性材料作为阴极的锂离子电池的放电曲线和容量变化的图表。专利技术详述本专利技术提供用于电池的电极活性材料。本文所用的“电池”是指包含一个或多个用于产生电的电化学电池的装置。每个电化学电池包含阳极、阴极和电解质。两个或更多个电化学电池可以被组合或“堆积”，从而产生多电池的电池组，其电压是单个电池的电压的和。本专利技术的电极活性材料用于这种电化学电池的阴极中。已经提出，LiMnPO4 (橄榄石型磷酸盐化合物，其含有锰(Mn)，锰为具有高氧化-还原电势的元素)可被用作正极材料。理论上，基于Mn的橄榄石磷酸盐LiMnPO4是斩阴极材料，这是比基于狗的磷酸盐Lii^ePO4更高的操作电压。然而，基于Mn的磷酸盐由于其低的导电性和离子导电性而具有非常差的电化学活性。已经发现，LiMnPO4是一种绝缘材料， 因此其具有低的电化学活性。本专利技术通过如下解决了该问题在橄榄石结构中替换其它多种金属阳离子，从而赋予材料的性能，并且使得基于Mn的磷酸盐能够输送显著的容量。本文所用的措辞“优选的”和“优选地”是指在某些情况下提供某些益处的本专利技术的实施方式。然而，在相同情况下或其它情况下，其它实施方式也可以是优选的。此外，提及本文档来自技高网...
【技术保护点】
【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：黄海涛，耶齐德·M·赛义迪，
申请(专利权)人：威伦斯技术公司，
类型：发明
国别省市：
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