本發(fā)明屬于電池。

背景技術(shù)：

1、鋰金屬氧化物已被用于配制鋰離子電池的陰極材料。陰極源自幾種基本的晶體結(jié)構(gòu)類型，諸如尖晶石、橄欖石和層狀氧化物結(jié)構(gòu)。層狀氧化物結(jié)構(gòu)包括鋰過量型結(jié)構(gòu)，其中結(jié)構(gòu)中存在額外的鋰。

2、最近，人們的注意力集中在無序巖鹽結(jié)構(gòu)上，諸如由特定鋰金屬氧化物形成的結(jié)構(gòu)。一種化合物，其由下式表示：

3、

4、其中m是二價(jià)或三價(jià)陽離子，已經(jīng)顯示出是一類有希望用作鋰離子電池陰極的過渡金屬氧化物。式(1)的化合物被認(rèn)為是無序巖鹽，其中鋰和過渡金屬離子的隨機(jī)原子排列堆積在密堆積的立方結(jié)構(gòu)中。這些無序巖鹽組合物提供了每分子式單元包含多達(dá)3個(gè)鋰原子的能力，這比常規(guī)的過量鋰層狀材料多。式(1)可以轉(zhuǎn)換并表示為lixmynzow。

5、無序巖鹽結(jié)構(gòu)是下一代鋰離子電池的有吸引力的陰極材料，因?yàn)榕c最先進(jìn)的陰極材料諸如層狀鋰金屬氧化物結(jié)構(gòu)相比，它具有更高的比能量密度(例如，更高的理論能量密度)。例如，某些無序巖鹽結(jié)構(gòu)材料的理論重量能量密度為約1120?wh/kg，而limn2o4活性材料的理論重量能量密度為約492?wh/kg，limn1.5ni0.5o4的理論重量能量密度為約691?wh/kg。當(dāng)使用較低成本原材料作為無序巖鹽結(jié)構(gòu)的成分(諸如錳)時(shí)，這種能量密度尤其有吸引力。因此，無序巖鹽材料可以以相對低的材料成本實(shí)現(xiàn)相對高的能量密度。為了達(dá)到相當(dāng)?shù)哪芰棵芏龋阎年帢O材料需要更高成本的原材料，例如鈷或鎳。

6、與現(xiàn)有的鋰離子電池相比，無序巖鹽材料的循環(huán)壽命往往較短。最近，已經(jīng)描述了通過用氟取代一些氧來改進(jìn)無序巖鹽電池的循環(huán)壽命的嘗試，諸如美國專利號10,280,092中所述。盡管如此，仍期望提供一種由無序巖鹽陰極組成的電池，該電池具有更長的壽命和其他期望的屬性，諸如更安全的電池。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、我們發(fā)現(xiàn)了改進(jìn)的無序巖鹽(drs)。drs可表現(xiàn)出更長的長期循環(huán)壽命。drs可表現(xiàn)出較低的氧氧化還原電壓，這轉(zhuǎn)而可以使電池更安全(在氧氧化還原平臺上表現(xiàn)出較低的充電電壓平臺)。平臺較低的充電電壓的優(yōu)勢在于，電池電解質(zhì)暴露在更不可能導(dǎo)致其氧化的環(huán)境中。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，添加f與p、s和n中的任何一種或全部的組合產(chǎn)生上述期望的屬性，同時(shí)保持相同的初始容量，但具有改進(jìn)的壽命以及其他屬性。這些物質(zhì)中的每一種都取代了無序巖鹽結(jié)構(gòu)中的一些氧(陰離子)。在drs中，陰離子的大多數(shù)是氧，其余部分由如上所述的f、p、s和n組成(o取代物)。f/(p、s和n)的比率可以是任何有用的，但期望地以摩爾計(jì)為1或大于100、50、25、20或15。f與p、s、n中任何一個(gè)的組合改進(jìn)了一種或多種屬性，這些屬性可能有所不同。也就是說，p、s和n可以單獨(dú)使用或組合使用，取決于所需的一種或多種屬性。

2、在本文中，當(dāng)指定組分的大多數(shù)時(shí)，它意指超過50摩爾%或(從所用的上下文中容易理解)至基本上所有的該組分(99%或更少)。也就是說，組分的大多數(shù)特定成分以大于該組分的50%至99%、90%、80%、70%或60%的量存在。當(dāng)某一組分的少數(shù)為指定成分時(shí)，它的存在量小于50%至約1%，其余為大多數(shù)的指定成分。

3、組合物包含無序巖鹽，該巖鹽具有由鋰和至少一種其他金屬組成的陽離子以及由氧、氟及磷、硫和氮中的一種或多種組成的陰離子。理想情況下，氧占陰離子的大多數(shù)，少數(shù)由f及p、s和n中的一種或多種組成。氟是f、s、p和n中的兩種或多種的大多數(shù)。示例性地，期望的是f/(p、s和n)比率為至少1比100、50、25、10、5或2。

4、drs可用于一次和二次電池鋰離子電池。drs可以與任何合適的電解質(zhì)、隔膜和陽極(諸如本領(lǐng)域中已知的那些)一起使用。

技術(shù)特征：

1.一種包含無序巖鹽的組合物，所述無序巖鹽具有由鋰和至少一種其他金屬組成的陽離子以及由氧和氟及磷、硫和氮中的一種或多種組成的陰離子。

2.如權(quán)利要求1所述的組合物，其中氧占所述陰離子的大多數(shù)。

3.如權(quán)利要求2所述的組合物，其中氟占氟及磷、硫和氮中的一種或多種的大多數(shù)。

4.如權(quán)利要求1所述的組合物，其中按摩爾計(jì)f/(p、s和n)為1至25。

5.如權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述無序巖鹽由以下表示

6.如權(quán)利要求5所述的組合物，其中(a+b)為0.05至1.5。

7.如權(quán)利要求6所述的組合物，其中(a+b)為0.05至0.95。

8.如權(quán)利要求5所述的組合物，其中a為0.05至0.25。

9.如權(quán)利要求5所述的組合物，其中z為p、n或s。

10.如權(quán)利要求5所述的組合物，其中m'為nb并且y大于0。

11.如權(quán)利要求5所述的組合物，其中x為1.1至1.65。

12.如權(quán)利要求11所述的組合物，其中x為1.15至1.5。

13.如權(quán)利要求12所述的組合物，其中x為1.2至1.4。

14.如權(quán)利要求5所述的組合物，其中m由ti、mn、fe、co、v、cr、ni和cu中的一種或多種組成。

15.如權(quán)利要求14所述的組合物，其中m由ti和mn組成。

16.一種可充電電池的陰極，所述陰極包含無序巖鹽粉末，所述無序巖鹽粉末具有由鋰和一種其他金屬組成的陽離子以及由氧和氟及磷、硫和氮中的一種或多種組成的陰離子。

17.如權(quán)利要求16所述的陰極，其中所述無序巖鹽粉末由下式表示：

18.如權(quán)利要求16或17所述的陰極，其中所述陰極的陰離子氧化還原電壓與不具有p、s或n的無序巖鹽陰極相比有所降低。

19.如權(quán)利要求17所述的陰極，其中z的至少一些部分由s組成。

20.如權(quán)利要求19所述的陰極，其中z僅由s組成。

21.如權(quán)利要求17至20中任一項(xiàng)所述的陰極，其中m'由nb組成并且m由mn組成。

22.如權(quán)利要求21所述的陰極，其中按摩爾計(jì)mn/nb為1至10。

23.如權(quán)利要求22所述的陰極，其中按摩爾計(jì)mn/nb為2至5。

24.一種鋰離子電池，其由權(quán)利要求16至23中任一項(xiàng)所述的陰極組成。

技術(shù)總結(jié)
一種具有改進(jìn)特性的無序巖鹽(DRS)具有由鋰和一種其他金屬組成的陽離子以及由氧和氟及磷、硫和氮中的一種或多種組成的陰離子。在氧陰離子位點(diǎn)上P、S和N中的一種或多種的取代可以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的電池循環(huán)壽命和/或可用于制造更安全的電池。

技術(shù)研發(fā)人員：易堂紅,王晗,李斌
受保護(hù)的技術(shù)使用者：野貓技術(shù)開發(fā)公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6