本发明专利技术描述了改良的正电极材料和用于制备所述材料的方法。描述了掺杂有一种或多种掺杂剂Co、Ni、V和Nb的磷酸锰铁锂材料和用于制备所述材料的方法。本发明专利技术的所述改良的正电极材料能够呈现出改良的能量密度和/或比容量，以用于大范围应用中。在某些实施方案中，大于340mWh/g的能量密度为可能的。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于锂离子电池的具有改良的比容量和能量密度的混合金属橄榄石电极材料以引用方式并入本文引用的所有专利、专利申请和公布的全部内容以引用的方式并入本文，以全面描述到本文描述的专利技术日期为止本领域技术人员所知的技术状态。相关申请的交叉引用本申请要求2009年8月25日提交的第61/236，862号美国专利申请的较早提交日期的权益，所述申请的全部内容在此以引用的方式并入本文。背景电池从电化学反应产生能量。电池通常包括正电极和负电极；离子电解质溶液，所述溶液支持离子在两个电极之间来回运动；和多孔分离器，所述多孔分离器确保两个电极不会接触但是允许离子在两个电极之间来回行进。当代的便携式电器几乎完全依赖于可再充电的锂(Li)离子电池作为电源。这种情况激励了持续努力增加电池的能量存储能力、功率容量、循环寿命和安全特性，和降低电池的成本。锂离子电池或锂离子单体电池是指负电极能够在高于锂金属的化学势的锂化学势存储大量锂的可再充电电池。当对锂离子电池进行充电时，锂离子从正电极行进至负电极。在放电时，这些离子返回至正电极，从而在过程中释放能量。在典型的Li离子电池中，单体电池包括用于正电极(或阴极)的金属氧化物、用于负电极(或阳极)的碳/石墨和用于电解质的有机溶剂中的锂盐。最近，已经将锂金属磷酸盐用作阴极电活性材料。这些使用基于磷酸铁锂(LFP)的阴极材料的Li离子电池在多种不同应用中是有用的。在某些应用中，如通过在刹车时所收集的能量对电池充电的油电混合动力车，需要呈现出高比容量(或比功率)的电池，因为这些电池的快速再充电率和放电率很重要。在其他应用中，如车辆可以行进的距离取决于能够存储于电池中的电能总量的插电式电动车，需要高能量密度(或比能)。因此，为了预想的特定应用来优化用于Li离子电池的材料。概述 在一个方面，提供能量密度和比容量都得到优化以同时实现高能量密度以及高比容量的正电极材料。在一个方面，提供在20C放电率时能量密度为至少340mWh/g的正电极材料。在另一个方面，提供在20C放电率时比容量为至少110mAh/g的正电极材料。功率密度(即，每单位时间的能量密度)在20C放电率为至少6800mW/g。在另一个方面，提供能量密度和比容量都得到优化以同时实现高能量密度以及高比容量的正电极材料。在一个实施方案中，在20C放电率，能量密度为至少340mWh/g且比容量为至少110mAh/g。功率密度(即，每单位时间的能量密度)在20C放电率为至少6800mW/g° 在一个方面，提供基于具有橄榄石结构的磷酸锰铁锂(LFM P)的正电极材料，所述橄榄石结构进一步掺杂有一种或多种掺杂剂兀素。在一个实施方案中，将掺杂剂兀素掺杂作为橄榄石结构的晶格结构的一部分。在某些实施方案中，掺杂剂元素可以包括钴(Co)、镍(Ni)、钒(V)、铌(Nb)、氟(F)或其混合物。在一个或多个实施方案中，提供包含电活性材料的正电极材料。电活性材料包含锂(Li)、铁(Fe)、锰(Mn)、一种或多种掺杂剂(D)和磷酸盐(PO4),其中Fe+Mn+D的量=I.0 ；Li (Fe+Mn+D)的量的比在约I. 0到 约I. 05的范围内；P04 (Fe+Mn+D)的量的比在约I. 0到约I. 025的范围内；D为选自由以下组成的群组的一种或多种掺杂剂钴(Co)、镍(Ni)、钒(V)、铌(Nb)和其混合物；Mn的量在0. 35到0. 60的范围内；D的量在约0. 001到约0. 10的范围内；且电活性材料包含具有橄榄石结构的至少一个相，所述橄榄石结构包含所述Li、Fe、Mn、D和磷酸盐中的至少一些。在某些实施方案中，掺杂剂金属可以选自由以下组成的群组Co、V、Nb和其混合物。在某些实施方案中，掺杂剂金属可以选自Co和V的混合物。在某些实施方案中，电活性材料可以进一步包括氟。在一些实施方案中，组合物包含达约0. Imol %>0. 5mol %>Imol %>I. 5mol %>2mol %、2. 5mol %、3mol %、3. 5mol %、4mol %、4. 5mol %、5mol %、6mol %、7mol %、8mol %、9mol %或IOmol %的所述一种或多种掺杂剂金属。在某些实施方案中，组合物包含达0.Imol %>0. 5mol %>Imol %>I. 5mol %>2moI %>2. 5mol %>3moI %>3. 5mol %>4moI %>4. 5mol%或5mol%的Co。在某些实施方案中，组合物包含达0. Imol%,0. 5mol%Umol%,1.5mol % >2moI % >2. 5mol % >3moI % >3. 5mol % >4moI % >4. 5mol % 或 5mol 的 Ni。在某些实施方案中，组合物包含达 0. Imol %>0. 5mol %>Imol %>I. 5mol %>2moI %>2. 5mol %>3mol%,3. 5mol%,4mol%,4. 5mol %或5mol %的V。在某些实施方案中，组合物包含达0.Imol %>0. 5mol %>Imol %>I. 5mol %>2moI %>2. 5mol %>3moI %>3. 5mol %>4moI %>4. 5mo I 或 5mo I 的 F。在一个或多个实施方案中，所述一种或多种掺杂剂金属可以代入橄榄石结构的Li、Fe或Mn的一个或多个晶格结点。在某些实施方案中，F可以代入橄榄石结构的一个或多个磷酸盐晶格结点。在一个或多个实施方案中，所述电活性材料可以主要存在为橄榄石相。在一个或多个实施方案中，所述电活性材料可以进一步包括少量富含掺杂剂金属的二次相。在一个或多个实施方案中，提供包括本文所述的正电极材料的正电极。在一个或多个实施方案中，提供锂二次电池，所述电池包括与正电极集电器电子接触的正电极，所述集电器与外部电路电气连接；与负电极集电器电子接触的负电极，所述集电器与外部电路电气连接；位于阴极与阳极之间并且与阴极和阳极离子接触的分离器；以及与正电极和负电极离子接触的电解质；其中所述正电极包括本文所述的正电极材料。在一个或多个实施方案中，锂二次电池的负电极包括锂夹层化合物或者锂金属合金。在一个方面，负电极包含碳。在另一个方面，负电极包含石墨碳。在又一个方面，碳选自由以下组成的群组石墨、球状石墨、中间相碳微球和碳纤维。在一个或多个实施方案中，正电极进一步包括粘合剂和导电材料。应认识到，尽管分别描述了电活性材料的特征或实施方案，但是电活性材料、正电极材料、正电极或锂二次电池能够以任何组合具有本文所述的一个或多个特征。附图简述在结合附图考虑时通过参考以下详述，将对本专利技术和它的许多优点具有更完整的理解，附图的呈现仅用于说明的目的而并非意欲限制所附权利要求书的范围，附图中图I为作为掺杂有Co的化学计量LFMP材料的组成的函数的能量密度的等值线图，其中垂直轴指示Co含量，且水平轴指示组合物LiMnxFeyCozPO4的Mn含量；且其中等本文档来自技高网...
【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：L·W·贝克，许传经，张英一，
申请(专利权)人：A一二三系统公司，
类型：发明
国别省市：
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