无序岩盐材料以及其形成方法与流程

本发明属于电池。

背景技术：

1、锂金属氧化物已被用于配制锂离子电池的阴极材料。阴极源自几种基本的晶体结构类型，诸如尖晶石、橄榄石和层状氧化物结构。层状氧化物结构包括锂过量型结构，其中结构中存在额外的锂。

2、最近，人们的注意力集中在无序岩盐结构上，诸如由特定锂金属氧化物形成的结构。一种化合物，其由下式表示：

3、

4、其中m是二价或三价阳离子，已经显示出是一类有希望用作锂离子电池阴极的过渡金属氧化物。式(1)的化合物被认为是无序岩盐，其中锂和过渡金属离子的随机原子排列堆积在密堆积的立方结构中。这些无序岩盐组合物提供了每分子式单元包含多达3个锂原子的能力，这比常规的过量锂层状材料多。式(1)可以转换并表示为lixmynzow。

5、无序岩盐结构是下一代锂离子电池的有吸引力的阴极材料，因为与最先进的阴极材料诸如层状锂金属氧化物结构相比，它具有更高的比能量密度(例如，更高的理论能量密度)。例如，某些无序岩盐结构材料的理论重量能量密度为约1120 wh/kg，而limn2o4活性材料的理论重量能量密度为约492 wh/kg，limn1.5ni0.5o4的理论重量能量密度为约691 wh/kg。当使用较低成本原材料作为无序岩盐结构的成分(诸如锰)时，这种能量密度尤其有吸引力。因此，无序岩盐材料可以以相对低的材料成本实现相对高的能量密度。为了达到相当的能量密度，已知的阴极材料需要更高成本的原材料，例如钴或镍。

6、与现有的锂离子电池相比，无序岩盐材料的循环寿命往往较短。最近，已经描述了通过用氟取代一些氧来改进无序岩盐电池的循环寿命的尝试，诸如美国专利号10,280,092中所述。尽管如此，仍期望提供一种由无序岩盐阴极组成的电池，该电池具有更长的寿命和其他期望的属性，诸如更安全的电池。

技术实现思路

1、我们发现了改进的无序岩盐(drs)。drs可表现出更长的长期循环寿命。drs可表现出较低的氧氧化还原电压，这转而可以使电池更安全(在氧氧化还原平台上表现出较低的充电电压平台)。平台较低的充电电压的优势在于，电池电解质暴露在更不可能导致其氧化的环境中。已经发现，添加f与p、s和n中的任何一种或全部的组合产生上述期望的属性，同时保持相同的初始容量，但具有改进的寿命以及其他属性。这些物质中的每一种都取代了无序岩盐结构中的一些氧(阴离子)。在drs中，阴离子的大多数是氧，其余部分由如上所述的f、p、s和n组成(o取代物)。f/(p、s和n)的比率可以是任何有用的，但期望地以摩尔计为1或大于100、50、25、20或15。f与p、s、n中任何一个的组合改进了一种或多种属性，这些属性可能有所不同。也就是说，p、s和n可以单独使用或组合使用，取决于所需的一种或多种属性。

2、在本文中，当指定组分的大多数时，它意指超过50摩尔%或(从所用的上下文中容易理解)至基本上所有的该组分(99%或更少)。也就是说，组分的大多数特定成分以大于该组分的50%至99%、90%、80%、70%或60%的量存在。当某一组分的少数为指定成分时，它的存在量小于50%至约1%，其余为大多数的指定成分。

3、组合物包含无序岩盐，该岩盐具有由锂和至少一种其他金属组成的阳离子以及由氧、氟及磷、硫和氮中的一种或多种组成的阴离子。理想情况下，氧占阴离子的大多数，少数由f及p、s和n中的一种或多种组成。氟是f、s、p和n中的两种或多种的大多数。示例性地，期望的是f/(p、s和n)比率为至少1比100、50、25、10、5或2。

4、drs可用于一次和二次电池锂离子电池。drs可以与任何合适的电解质、隔膜和阳极(诸如本领域中已知的那些)一起使用。

技术特征：

1.一种包含无序岩盐的组合物，所述无序岩盐具有由锂和至少一种其他金属组成的阳离子以及由氧和氟及磷、硫和氮中的一种或多种组成的阴离子。

2.如权利要求1所述的组合物，其中氧占所述阴离子的大多数。

3.如权利要求2所述的组合物，其中氟占氟及磷、硫和氮中的一种或多种的大多数。

4.如权利要求1所述的组合物，其中按摩尔计f/(p、s和n)为1至25。

5.如权利要求1所述的组合物，其中所述无序岩盐由以下表示

6.如权利要求5所述的组合物，其中(a+b)为0.05至1.5。

7.如权利要求6所述的组合物，其中(a+b)为0.05至0.95。

8.如权利要求5所述的组合物，其中a为0.05至0.25。

9.如权利要求5所述的组合物，其中z为p、n或s。

10.如权利要求5所述的组合物，其中m'为nb并且y大于0。

11.如权利要求5所述的组合物，其中x为1.1至1.65。

12.如权利要求11所述的组合物，其中x为1.15至1.5。

13.如权利要求12所述的组合物，其中x为1.2至1.4。

14.如权利要求5所述的组合物，其中m由ti、mn、fe、co、v、cr、ni和cu中的一种或多种组成。

15.如权利要求14所述的组合物，其中m由ti和mn组成。

16.一种可充电电池的阴极，所述阴极包含无序岩盐粉末，所述无序岩盐粉末具有由锂和一种其他金属组成的阳离子以及由氧和氟及磷、硫和氮中的一种或多种组成的阴离子。

17.如权利要求16所述的阴极，其中所述无序岩盐粉末由下式表示：

18.如权利要求16或17所述的阴极，其中所述阴极的阴离子氧化还原电压与不具有p、s或n的无序岩盐阴极相比有所降低。

19.如权利要求17所述的阴极，其中z的至少一些部分由s组成。

20.如权利要求19所述的阴极，其中z仅由s组成。

21.如权利要求17至20中任一项所述的阴极，其中m'由nb组成并且m由mn组成。

22.如权利要求21所述的阴极，其中按摩尔计mn/nb为1至10。

23.如权利要求22所述的阴极，其中按摩尔计mn/nb为2至5。

24.一种锂离子电池，其由权利要求16至23中任一项所述的阴极组成。

技术总结一种具有改进特性的无序岩盐(DRS)具有由锂和一种其他金属组成的阳离子以及由氧和氟及磷、硫和氮中的一种或多种组成的阴离子。在氧阴离子位点上P、S和N中的一种或多种的取代可以实现改进的电池循环寿命和/或可用于制造更安全的电池。技术研发人员：易堂红,王晗,李斌受保护的技术使用者：野猫技术开发公司技术研发日：技术公布日：2025/1/6