【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】成分、其制造方法及其用途
本专利技术涉及包含以下的成分(组合物):由具有岩盐结构的层状混合金属氧化物提供的第一相和由不具有所述层状混合金属氧化物的晶体结构的金属氧化物提供的第二相。特别地,所述成分可包含Co3O4以及锂和钴的结晶氧化物,任选地包含一种或多种本文中所述的掺杂元素。本专利技术还涉及该成分的制造方法及其用途,特别是用作电极和用于电化学单元电池、特别是锂离子电池中的用途。
技术介绍
锂离子电池是一种可再充电电池,其中锂离子(Li+)在放电过程中从负极移动到正极,并在充电时移动回去。与不可再充电的锂离子电池中使用的金属锂相比,锂离子电池使用锂嵌入化合物作为一种电极材料。允许离子移动的电解质和两个电极是锂离子电池的组成组件。典型地,锂离子电池由至少三个组件组成。两个有源电极(负极和正极)被电解质隔开。这些组件中的每一个都形成为薄膜,依次沉积在支撑基底上。还可提供其他组件例如集流体、界面修饰件(interfacemodifiers)和封装件。在制造中,可例如按正极集流体、正极、电解质、负极、负极集流体和封装件的顺序沉积所述组件。在锂离子示例中,负极和正极能够可逆地存储锂。负极和正极材料的其他要求是可由低质量和体积的材料实现的高重量和体积存储容量,同时每单位存储的锂离子数量应尽可能多。所述材料还应表现出可接受的电子和离子传导性,以便在电池充电和放电过程中离子和电子可穿过电极移动。许多设备,特别地但不仅为手持电子设备,使用基于具有属于R-3m空间群的岩盐结构的层状混合金属氧化物的锂离子电池。这些 ...
【技术保护点】
1.成分,包括/n(a)主相,其由具有属于R-3m空间群的岩盐结构的层状混合金属氧化物提供;所述层状混合金属氧化物包括以下组成元素:/n45至55原子%的锂;/n20至55原子%的一种或多种过渡金属,其选自铬、锰、铁、镍、钴及其组合;和/n0至25原子%的一种或多种另外的掺杂剂元素,其选自:镁、钙、锶、钛、锆、钒、铜、钌、锌、钼、硼、铝、镓、锡、铅、铋、镧、铈、钆和铕;/n其中所述原子%表示为所述层状氧化物的不包括氧的总原子的%;/n(b)次相,其由不具有所述层状混合金属氧化物的晶体结构的金属氧化物提供,所述次相包括包含在所述层状混合金属氧化物中的过渡金属的一种或多种,所述过渡金属选自铬、锰、铁、镍和钴,/n其中所述主相占所述成分的总质量的90%至99.5%,以及所述次相占所述成分的总质量的0.5%至10%。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180403 GB 1805627.51.成分,包括
(a)主相,其由具有属于R-3m空间群的岩盐结构的层状混合金属氧化物提供;所述层状混合金属氧化物包括以下组成元素:
45至55原子%的锂;
20至55原子%的一种或多种过渡金属,其选自铬、锰、铁、镍、钴及其组合;和
0至25原子%的一种或多种另外的掺杂剂元素,其选自:镁、钙、锶、钛、锆、钒、铜、钌、锌、钼、硼、铝、镓、锡、铅、铋、镧、铈、钆和铕;
其中所述原子%表示为所述层状氧化物的不包括氧的总原子的%;
(b)次相,其由不具有所述层状混合金属氧化物的晶体结构的金属氧化物提供,所述次相包括包含在所述层状混合金属氧化物中的过渡金属的一种或多种,所述过渡金属选自铬、锰、铁、镍和钴,
其中所述主相占所述成分的总质量的90%至99.5%,以及所述次相占所述成分的总质量的0.5%至10%。
2.根据权利要求1所述的成分,其中所述次相包括少于1原子%的锂。
3.根据权利要求2所述的成分,其中所述次相基本不含锂。
4.根据前述权利要求中任一项所述的成分,其中所述层状混合金属氧化物包括:
45至55原子%的锂;
40至55原子%的一种或多种过渡金属,其选自铬、锰、铁、镍、钴及其组合;和
0至5原子%的一种或多种另外的掺杂剂元素,其选自:镁、钙、锶、钛、锆、钒、铜、钌、锌、钼、硼、铝、镓、锡、铅、铋、镧、铈、钆和铕。
5.根据权利要求4所述的成分,其中所述层状混合金属氧化物包括:
45至55原子%的锂;
45至55原子%的一种或多种过渡金属,其选自铬、锰、铁、镍、钴及其组合。
6.根据前述权利要求中任一项所述的成分,其中所述次相占所述成分的总质量的1%至10%。
7.根据前述权利要求中任一项所述的成分,其中所述次相占所述成分的总质量的2.5%至10%。
8.根据前述权利要求中任一项所述的成分,其中所述成分是薄膜层,其包括顶表面和底表面,并且具有1-50μm的在所述顶表面和所述底表面之间的高度。
9.根据权利要求8所述的成分,其中所述次相以与所述底表面对齐的种子层的形式存在。
10.根据前述权利要求中任一项所述的成分,其中所述层状混合金属氧化物具有通式Li1Co1-2yMnyNiyO2,并且所述次相包括一种或多种选自以下的过渡金属:钴、锰和镍。
11.根据权利要求1-9中任一项所述的成分,其中所述层状混合金属氧化物具有通式LixMn1-yMyO2,其中M为选自铬、镍、铁和钴的过渡金属。
12.根据权利要求1-9中任一项所述的成分,其中所述层状混合金属氧化物为结晶的锂钴氧化物或结晶的掺杂锂钴氧化物;所述结晶氧化物包括以下组成元素:
45至55原子%的锂;
20至55原子%的钴;和
0至25原子%的至少一种另外的掺杂剂元素,其选自:镁、钙、锶、钛、锆、钒、铬、锰、铁、铜、钌、镍、锌、钼、硼、铝、镓、锡、铅、铋、镧、铈、钆和铕;
其中所述原子%表示为所述结晶氧化物的不包括氧的总原子的%;和
所述次相为Co3O4。
13.根据权利要求12所述的成分,进一步具有权利要求14-79和152中任一项的特征。
14.成分,包括:
(a)Co3O4;和
(b)结晶的锂钴氧化物或结晶的掺杂锂钴氧化物;所述结晶氧化物包括以下组成元素:
45至55原子%的锂;
20至55原子%的钴;和
0至25原子%的至少一种另外的掺杂剂元素,其选自:镁、钙、锶、钛、锆、钒、铬、锰、铁、铜、钌、镍、锌、钼、硼、铝、镓、锡、铅、铋、镧、铈、钆和铕;
其中所述原子%表示为所述结晶氧化物的不包括氧的总原子的%;
其中所述成分的总质量的0.01%至10%是Co3O4;
其中所述成分的总质量的90%至99.99%是结晶的锂钴氧化物或结晶的掺杂锂钴氧化物;
其中所述成分具有底表面和顶表面;
其中所述结晶的锂钴氧化物或结晶的掺杂锂钴氧化物具有特征在于以下参数(a)至(c)中的至少一个的结晶结构:
(a)所述结晶结构的至少一部分相对于平行于所述底表面的平面具有选自(101)、(104)、(110)和(012)的晶体取向;
(b)包括以下的拉曼光谱:在484cm-1、593cm-1处的谱带,和至少一个选自690cm-1、526cm-1和625cm-1的谱带(所述谱带各自±25cm-1);
(c)至少一个选自2θ(±0.2°)37.4°、39.1°、45.3°和66.4°的使用CuKαX射线源测量的X射线粉末衍射峰。
15.成分,包括:
(a)Co3O4;和
(b)结晶的锂钴氧化物或结晶的掺杂锂钴氧化物;所述结晶氧化物包括以下组成元素:
45至55原子%的锂;
20至55原子%的钴;和
0至25原子%的至少一种另外的掺杂剂元素,其选自:镁、钙、锶、钛、锆、钒、铬、锰、铁、铜、钌、镍、锌、钼、硼、铝、镓、锡、铅、铋、镧、铈、钆和铕;
其中所述原子%表示为所述结晶氧化物的不包括氧的总原子的%;
其中所述成分的总质量的0.01%至10%是Co3O4;
其中所述成分的总质量的90%至99.99%是结晶的锂钴氧化物或结晶的掺杂锂钴氧化物;
其中所述成分具有底表面和顶表面;
其中所述结晶的锂钴氧化物或结晶的掺杂锂钴氧化物具有特征在于以下参数(a)至(c)中的至少一个的结晶结构:
(a)至少一种选自(101)、(104)、(110)和(012)的晶体取向;
(b)包括以下的拉曼光谱:在484cm-1、593cm-1处的谱带,和至少一个选自690cm-1、526cm-1和625cm-1的谱带(所述谱带各自±25cm-1);
(c)至少一个选自2θ(±0.2°)37.4°、39.1°、45.3°和66.4°的X射线粉末衍射峰。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的成分,其中所述结晶氧化物包括:
45至55原子%的锂;
40至55原子%的钴;和
0至5原子%的至少一种掺杂剂元素,其选自:镁、钙、锶、钛、锆、钒、铬、锰、铁、铜、钌、镍、钼、锌、硼、铝、镓、锡、铅、铋、镧、铈、钆和铕;
其中所述原子%表示为所述结晶氧化物的不包括氧的总原子的%。
17.根据权利要求14或权利要求15所述的成分,其中所述结晶氧化物包括:
45至55原子%的锂;
42.5至55原子%的钴;和
0至2.5原子%的至少一种掺杂剂元素,其选自:镁、钙、锶、钛、锆、钒、铬、锰、铁、铜、钌、镍、钼、锌、硼、铝、镓、锡、铅、铋、镧、铈、钆和铕;
其中所述原子%表示为所述结晶氧化物的不包括氧的总原子的%。
18.根据权利要求14或权利要求15所述的成分,其中所述结晶氧化物包括:
45至55原子%的锂;和
45至55原子%的钴;
其中所述原子%表示为所述结晶氧化物的不包括氧的总原子的%。
19.根据权利要求14或权利要求15所述的成分,其中所述结晶氧化物包括:
47.0至53.0原子%的锂;和
47.0至53.0原子%的钴;
其中所述原子%表示为所述结晶氧化物的不包括氧的总原子的%。
20.根据权利要求14或权利要求15所述的成分,其中所述结晶氧化物包括:
47.5至49.1原子%的锂;和
50.9至52.5原子%的钴;
其中所述原子%表示为所述结晶氧化物的不包括氧的总原子的%。
21.根据权利要求14或权利要求15所述的成分,其中所述结晶氧化物具有式Li1Co1-2yMnyNiyO2。
22.根据权利要求14至20中任一项所述的成分,其中所述成分的总质量的0.5%至10%为Co3O4。
23.根据权利要求14至20中任一项所述的成分,其中所述成分的总质量的1.0%至10%为Co3O4。
24.根据权利要求14至20中任一项所述的成分,其中所述成分的总质量的2.5%至10%为Co3O4。
25.根据权利要求1-24中任一项所述的成分,其中所述顶表面和所述底表面的至少一个具有在10和250nm之间、优选在30和250nm之间、更优选在50和250nm之间的平均表面粗糙度(Ra)。
26.根据权利要求14至20中任一项所述的成分,其中所述成分的总质量的0.01%至5%为Co3O4。
27.根据权利要求14至20中任一项所述的成分,其中所述成分的总质量的5%至7.5%为Co3O4。
28.根据权利要求14至20中任一项所述的成分,其中所述成分的总质量的7.5%至10%为Co3O4。
29.根据权利要求14至20中任一项所述的成分,其中所述成分的总质量的0.01%至0.05%为Co3O4。
30.根据权利要求14至20中任一项所述的成分,其中所述成分的总质量的0.05%至0.1%为Co3O4。
31.根据权利要求14至20中任一项所述的成分,其中所述成分的总质量的0.1%至0.5%为Co3O4。
32.根据权利要求14至20中任一项所述的成分,其中所述成分的总质量的0.5%至1.0%为Co3O4。
33.根据权利要求14至20中任一项所述的成分,其中所述成分的总质量的1.0%至1.5%为Co3O4。
34.根据权利要求14至20中任一项所述的成分,其中所述成分的总质量的1.5%至2.0%为Co3O4。
35.根据权利要求14至20中任一项所述的成分,其中所述成分的总质量的2.0%至3.0%为Co3O4。
36.根据权利要求14至20中任一项所述的成分,其中所述成分的总质量的3.0%至4.0%为Co3O4。
37.根据权利要求14至20中任一项所述的成分,其中所述成分的总质量的4.0%至5.0%为Co3O4。
38.根据前述权利要求中任一项所述的成分,其中所述成分是包括所述顶表面、所述底表面和1-50μm的高度的薄膜层。
39.根据前述权利要求中任一项所述的成分,其中所述成分作为基底上的层提供。
40.根据权利要求14至37中任一项所述的成分,其中所述成分是包括所述顶表面、所述底表面和1-50μm的高度的薄膜层,并且所述薄膜层包括Co3O4的种子层。
41.根据权利要求40所述的成分,其中所述种子层在距所述底表面的高度的75%以内。
42.根据权利要求40所述的成分,其中所述种子层在距所述底表面的高度的50%以内。
43.根据权利要求40所述的成分,其中所述种子层在距所述底表面的高度的25%以内。
44.根据权利要求40所述的成分,其中所述种子层在距所述底表面的高度的10%以内。
45.根据权利要求40所述的成分,其中所述种子层在距所述底表面的高度的5%以内。
46.根据权利要求40所述的成分,其中所述种子层在距所述底表面的高度的2.5%以内。
47.根据权利要求40所述的成分,其中所述种子层构成所述薄膜层的底表面。
48.根据权利要求40-47中任一项所述的成分,其中所述种子层为0.1-100nm厚。
49.根据权利要求40-47中任一项所述的成分,其中所述种子层为0.1-50nm厚。
50.根据权利要求40-47中任一项所述的成分,其中所述种子层为0.1-25nm厚。
51.根据权利要求40-47中任一项所述的成分,其中所述种子层为0.1-10nm厚。
52.根据权利要求40-47中任一项所述的成分,其中所述种子层为1-50nm厚。
53.根据权利要求40-47中任一项所述的成分,其中所述种子层为1-25nm厚。
54.根据权利要求40-47中任一项所述的成分,其中所述种子层为1-10nm厚。
55.根据权利要求40-47中任一项所述的成分,其中所述种子层为1-5nm厚。
56.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述结晶氧化物包括选自(101)、(104)或(110)的任一种、两种或所有三种晶体取向。
57.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述结晶氧化物包括(101)晶体取向。
58.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述结晶氧化物包括(104)晶体取向。
59.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述结晶氧化物包括(110)晶体取向。
60.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述结晶氧化物包括(101)和(104)、(101)和(110)、或(104)和(110)晶体取向。
61.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述顶表面的至少2.5%是包括选自(101)、(104)、(110)或其组合的晶体取向的结晶氧化物。
62.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述顶表面的至少4.5%是包括选自(101)、(104)、(110)或其组合的晶体取向的结晶氧化物。
63.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述顶表面的至少5%是包括选自(101)、(104)、(110)或其组合的晶体取向的结晶氧化物。
64.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述顶表面的至少7.5%是包括选自(101)、(104)、(110)或其组合的晶体取向的结晶氧化物。
65.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述顶表面的至少10%是包括选自(101)、(104)、(110)或其组合的晶体取向的结晶氧化物。
66.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述顶表面的至少25%是包括选自(101)、(104)、(110)或其组合的晶体取向的结晶氧化物。
67.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述顶表面的至少50%是包括选自(101)、(104)、(110)或其组合的晶体取向的结晶氧化物。
68.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述顶表面的至少75%是包括选自(101)、(104)、(110)或其组合的晶体取向的结晶氧化物。
69.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述顶表面的至少80%是包括选自(101)、(104)、(110)或其组合的晶体取向的结晶氧化物。
70.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述顶表面的至少90%是包括选自(101)、(104)、(110)或其组合的晶体取向的结晶氧化物。
71.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述顶表面的至少95%是包括选自(101)、(104)、(110)或其组合的晶体取向的结晶氧化物。
72.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述顶表面的大于95%是包括选自(101)、(104)、(110)或其组合的晶体取向的结晶氧化物。
73.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述顶表面的大于97.5%是包括选自(101)、(104)、(110)或其组合的晶体取向的结晶氧化物。
74.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述顶表面的大于99%是包括选自(101)、(104)、(110)或其组合的晶体取向的结晶氧化物。
75.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述顶表面的大于99.5%是包括选自(101)、(104)、(110)或其组合的晶体取向的结晶氧化物。
76.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述结晶氧化物包括(101)取向、(104)取向、(110)取向、(101)和(104)晶体取向、(101)和(110)晶体取向、或(104)和(110)晶体取向。
77.根据权利要求14-37和40-76中任一项所述的成分,其中所述结晶的锂钴氧化物或结晶的掺杂锂钴氧化物具有结晶的菱面体结构,空间群R-3m(166)。
78.根据权利要求40-55中任一项所述的成分,其中所述结晶氧化物包括不规则的柱状晶体结构和顶表面,所述顶表面包括无规取向的板或簇状角锥体。
79.根据权利要求14-37和40-64中任一项所述的成分,其中所述结晶氧化物具有表现出如下的X射线粉末衍射图案的结晶结构,所述X射线粉末衍射图案包括在选自以下的2θ(±0.2°)处的使用CuKαX射线源测量的X射线粉末衍射峰:37.4°、45.3°、或37.4°和45.3°两者。
80.制备根据权利要求1-13中任一项所述的成分的方法,所述方法包括以下步骤:
提供所述成分的各组成元素的单独的蒸气源,其中所述蒸气源至少包括:
·锂源,
·过渡金属源,所述过渡金属选自铬、锰、铁、镍和钴,
·氧源,和
·任...
【专利技术属性】
技术研发人员:L珀金斯,W理查森,L特纳,T里斯布里杰,S格林,B海登,O克拉克,R诺布尔,JP索莱,P凯西,K吉亚格洛格卢,
申请(专利权)人:伊利卡科技有限公司,
类型:发明
国别省市:英国;GB
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