本发明专利技术提供用于Li离子电池的阴极材料。所述材料结构式为0.5Li2MnO3‑0.5LiMn0.5Ni0.35Co0.15O2。该材料通过“自燃燃烧”方法合成，其在之前还未被用于制备富集锂的层状金属氧化物。所述阴极材料在C/20、C/4和C速率的放电速率下的容量分别是290、250、和200mAh/g。此外，所述新材料具有高速率能量，在超过100个循环后基本没有或没有容量衰减，其在7–8mg/cm2的电极载量下在C/20至2C的一系列速率下得到了证实。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】关于联邦政府资助的研究或开发的声明本专利技术得到国家健康研究院国家生物医药成像和生物工程研究所(NationalInstituteofBiomedicalImagingandBioengineeringoftheNationalInstitutesofHealth)的基金号P30-EB-009998和U.S.ArmyCERDEC的合同号GTS-S-14-164的资助。美国政府对本专利技术具有一定的权利。
技术介绍
通式为xLi2MnO3-(1-x)LiMO2的富集锂的过渡金属氧化物族，式中M是过渡金属，其中层状锰酸锂(Li2MnO3)与层状锂金属氧化物(LiMO2)相互穿插，有望作为锂离子电池的阴极材料。这些材料在C/5至C/20的低至中等放电速率下可以给出大于250mAh/g的放电容量。在这些材料的初始充电中，Li从层状LiMO2结构中被提取出来，直至约4.4V的电压，然后通过在4.6-4.9V之间的电势下以Li+、O2、和电子的形式提取Li2O而激活Li2MnO4结构单元。然而，这些材料在被实际应用到电池之前，有几个缺点尚需解决，其包括：(i)初始激活充电中随着氧气的产生而出现的高不可逆容量损失；(ii)循环过程中的低放电速率容量和高容量衰减；(iii)低电导率，其导致Li离子电池中的高阻抗；和(iv)延长循环后的电压滞后和相变。
技术实现思路
本专利技术提供了用于锂离子电池的阴极材料。该材料具有式0.5Li2MnO3-0.5LiMn0.5Ni0.35Co0.15O2，其也可以写为Li1.2Mn0.6Ni0.14Co0.06O2。该材料通过“自燃燃烧”方法合成，该方法之前尚未被用于制备富集Li的层状金属氧化物。这种新的阴极材料在C/20、C/4和C放电速率下的容量分别为290、250和200mAh/g。此外，所述新材料表现出高速率的循环能力，在电极加载为7–8mg/cm2的C/20至2C的一系列速率下，证实了在超过100个循环中很少或没有容量衰减。所述材料在作为高容量富集Li的层状金属复合氧化物阴极材料方面表现出了优异的电化学性能。合成的该材料在C和2C下的前所未有的循环稳定性适用于电动车辆的电池，而在中等C/20和C/4速率下的循环稳定性可用于为便携式电子设备例如手机和手提电脑供电。所述新材料的优异的电化学性能可归因于由所述自燃燃烧而得到的其独特的颗粒形态、高孔隙率和电导性。本专利技术的一个方面是用于锂离子电池的阴极极材料。所述阴极材料包括层状-层状的Li2MnO3-LiMO2材料，其中M是过渡金属或过渡金属的组合。所述材料通过包括自燃燃烧的方法制备。本专利技术的另一个方面是含有上述阴极材料的锂离子电池。本专利技术的另一方面是制备用于锂离子电池的阴极材料的方法。该方法包括下述步骤：(a)提供包含一种或多种过渡金属盐、硝酸、和自燃燃烧燃料的水溶液，其中至少一种所述过渡金属盐是乙酸盐；(b)加热由(a)所得溶液以引发自燃燃烧反应，由此形成多孔金属氧化物骨架；(c)向由(b)所得的多孔金属氧化物骨架中加入锂前体以形成混合物并研磨该混合物；和(d)加热由(c)所得的研磨过的混合物以形成所述阴极材料。本专利技术的其它实施方案总结在下述条款列表中。1.用于锂离子电池的阴极材料，所述材料包含层状-层状的Li2MnO3-LiMO2材料，其中M是过渡金属或过渡金属的组合，且其中所述材料是通过包含自燃燃烧的方法制备的。2.根据条款1的阴极材料，其中所述过渡金属选自于由Mn、Co、Ni组成的组中。3.根据任何一项前述条款的阴极材料，其中M是Mn、Co、和Ni的组合。4.根据任何一项前述条款的阴极材料，其中所述层状-层状Li2MnO3-LiMO2材料的结构式为0.5Li2MnO3-0.5LiMn0.5Ni0.35Co0.15O2。5.根据任何一项前述条款的阴极材料，其表面积在约3.50至约3.95m2/g的范围内。6.根据任何一项前述条款的阴极材料，其具有开放的互连微孔结构。7.根据任何一项前述条款的阴极材料，其平均孔径在约150至约200埃的范围内。8.根据任何一项前述条款的阴极材料，其包含附聚成约200nm至约250nm粒径的颗粒的约100nm粒径的颗粒。9.根据任何一项前述条款的阴极材料，其通过不包括共沉淀的方法制备。10.锂离子电池，其包含根据任何一项前述条款的阴极材料。11.根据条款10的锂离子电池，其在C放电速率下的放电容量为至少200mAh/g。12.根据条款10-11中任何一项的锂离子电池，其在C/4放电速率下的放电容量为至少245mAh/g。13.根据条款10-12中任何一项的锂离子电池，其在C/20放电速率下的放电容量为至少280mAh/g。14.根据条款10-13中任何一项的锂离子电池，其比能量为至少400Wh/kg。15.根据条款10-14中任何一项的锂离子电池，其能量密度为至少1000Wh/L。16.根据条款10-15中任何一项的锂离子电池，其在100个充电/放电循环后基本保持100％的其初始放电容量。17.根据条款10-16中任何一项的锂离子电池，其在100个充电/放电循环后电池的阻抗基本不增加。18.根据条款10-17中任何一项的锂离子电池，其中DC电导率在约5x10-6至约9x10-6S/cm范围内。19.制备用于锂离子电池的阴极材料的方法，该方法包含以下步骤：(a)提供包含一种或多种过渡金属盐、硝酸、和自燃燃烧燃料的水溶液，其中至少一种所述过渡金属盐是乙酸盐；(b)加热由(a)所得溶液以引发自燃燃烧反应，由此形成多孔金属氧化物骨架；(c)添加锂前体至由(b)所得的多孔金属氧化物骨架以形成混合物，并研磨该混合物；和(d)加热由(c)所得的研磨过的混合物以形成所述阴极材料。20.根据条款19的方法，其中所述过渡金属盐选自于Mn、Ni、Co、及其组合的盐。21.根据条款19-20中任何一项的方法，其中在(a)中所提供的溶液包含Mn、Ni、和Co的盐。22.根据条款19-21中任何一项的方法，其中所述Mn的盐是Mn(Ac)2·4H2O，Ni的盐是Ni(NO3)2·6H2O，和Co的盐是Co(NO3)2·6H2O。23.根据条款19-22中任何一项的方法，其中在(c)中添加的锂前体是LiOH·H2O。24.根据条款19-23中任何一项的方法，其中乙酸盐离子对硝酸的摩尔比例为约1:1。25.根据条款19-24中任何一项的方法，其中所述自燃燃烧的燃料是甘氨酸。26.根据条款19-25中任何一项的方法，其中硝酸对甘氨酸的摩尔比为约6:1。27.根据条款19-26中任何一项的方法，其中硝酸根离子对甘氨酸的摩尔比为约8:1。28.根据条款19-27中任何一项的方法，其中在步骤(b)中加热所述溶液到约120℃约1-2小时。29.根据条款19-28中任何一项的方法，其中步骤(d)包含将所述混合物加热至约480℃约3小时，冷却并将所述混合物压制成粒料，并将该粒料加热至约900℃约3小时。30.根据条款19-29中任何一项的方法，其中在步骤(b)期间避免所述过渡金属的沉淀。31.根据条款19-30中任何一项的方法，其中所述方法的步骤(a)和(b)不包括所述过渡金属或Li前体的共沉淀。32.根据条本文档来自技高网...
【技术保护点】
用于锂离子电池的阴极材料，所述材料包含层状‑层状Li2MnO3‑LiMO2材料，其中M是过渡金属或过渡金属的组合，和其中所述材料通过包含自燃燃烧的方法制备。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.13 US 62/011,6341.用于锂离子电池的阴极材料，所述材料包含层状-层状Li2MnO3-LiMO2材料，其中M是过渡金属或过渡金属的组合，和其中所述材料通过包含自燃燃烧的方法制备。2.根据权利要求1的阴极材料，其中所述过渡金属选自于由Mn、Co、Ni所组成的组中。3.根据权利要求1的阴极材料，其中M是Mn、Co、和Ni的组合。4.根据权利要求1的阴极材料，其中所述层状-层状Li2MnO3-LiMO2材料具有式0.5Li2MnO3-0.5LiMn0.5Ni0.35Co0.15O2。5.根据权利要求1的阴极材料，其表面积为约3.50至约3.95m2/g。6.根据权利要求1的阴极材料，其具有开放的互连微孔结构。7.根据权利要求1的阴极材料，其平均孔径为约150至约200埃。8.根据权利要求1的阴极材料，其包含附聚成约200nm至约250nm粒径的颗粒的约100nm粒径的颗粒。9.根据权利要求1的阴极材料，其通过不包括共沉淀的方法制备。10.锂离子电池，其包含根据权利要求1的阴极材料。11.根据权利要求10的锂离子电池，其在C放电速率下的放电容量为至少200mAh/g。12.根据权利要求10的锂离子电池，其在C/4放电速率下的放电容量为至少245mAh/g。13.根据权利要求10的锂离子电池，其在C/20放电速率下的放电容量为约280mAh/g。14.根据权利要求10的锂离子电池，其比能量为至少400Wh/kg。15.根据权利要求10的锂离子电池，其能量密度为至少1000Wh/L。16.根据权利要求10的锂离子电池，其在100个充电/放电循环后基本保持了100％的其初始放电容量。17.根据权利要求10的锂离子电池，其中所述电池的阻抗在100个充电/放电循环后基本不增加。18.根据权利要求10的锂离子电池，其中DC导电率为约5x10-6至约9x10-6S/cm。19.制备用于锂离子电池的阴极材料的方法，所述方法包含以下步骤：(a)提供包含一种或多种过渡金属盐、硝酸、和自燃燃烧燃料的水溶液，其中至少一种所述过渡金属盐是乙酸盐；(b)加热由(a)所得的溶液以引发自燃燃烧反应，从而形成多孔金属氧化物骨架；(c)添加锂前体至由(b)所得的多孔金属氧化物骨架以形成混合物，并研磨...
【专利技术属性】
技术研发人员：M·N·阿泰斯，K·M·亚伯拉罕，S·慕克吉，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：美国;US
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