專利名稱：用于提供動力的陰電極和電化學電池的制作方法
用于提供動力的陰電極和電化學電池描述本發明涉及一種電化學電池的陰電極，特別是具有高能量密度和高功率密度的電化學電池。除了能量密度之外，利用現有的活性物質還使得電池的穩定性得到優化。另外需要考慮的是電極原料的材料成本和可獲取性。 在本發明的范疇中，陰電極包括至少一個載體，在其上應用有或沉淀有至少一種活性物質，其中所述活性物質包括(I)至少一種鋰-聚陰離子-化合物，或者(2)由不以尖晶石結構存在的鋰-鎳-猛-鈷-混合氧化物(NMC)與尖晶石結構的鋰-錳-氧化物(LMO)所組成的混合物，或者(3) 一種由(I)和⑵組成的混合物，其中，所述載體包括金屬材料，特別是鋁，并且所述載體具有15 y m至45 y m的厚度。目前特別重要的是，電極的載體(集電極物質)有薄的厚度，而且特別是考慮到根據本發明的、用于離子電池的電極的使用壽命和操作方式。所述電極的載體/集電極有助于穩定性、薄涂層的可能性和冷卻。優選地,所述載體構成為集電極箔、板(Blatt)或薄片(Duennblech)。此外本發明涉及一種電化學電池，特別是具有高能密度和高功率密度的電化學電池，其包括所述的陰電極，以及至少一個陽電極，以及至少一個分隔物，所述分隔物至少部分地設置在陰電極和陽電極之上或設置在陰電極和陽電極之間。 優選地，陽電極包括至少一種載體，所述載體優選地包括銅或碳纖維復合材料，其中所述載體具有15 Ii m至45 Ii m的厚度。優選地，所述載體構成為集電極箔的形式。所述陰電極或者所述電化學電池優選地應用在電池組中，特別是具有高能量密度和/或高功率密度的電池組中(所謂的“高功率電池”或者“高能量”電池)。依據本發明，陰電極或電化學電池特別優選地應用在鋰-離子-電池和鋰-離子-電池組中。進一步優選地，所述鋰-離子-電池和鋰-離子-電池組能應用于電動工具中和驅動車輛，更確切地說是應用于驅動全部或主要由電驅動的車輛或以所謂的“混合”動力工作的車輛(也就是與內燃機結合的車輛)。此外，所述電池組的應用還包括與燃料電池結合，以及以固定狀態工作。在電池組技術領域內，特別是考慮到鋰-離子-電池組，普遍認可的是，為各預期應用選擇陰電極物質具有特別意義。例如在便攜型電子儀器(通訊技術)中應用活性物質是公知的，特別是鋰-鈷-氧化物(例如=LiCoO2)或鋰_(鎳)_鈷-鋁-氧化物(NCA)。出于成本原因(相對來說鈷屬于昂貴的過渡金屬)，已成功用于商業使用的活性物質不一定同樣適合應用于電動車輛和混合驅動的車輛，這是因為在這些領域需要越來越多的活性物質，并因此活性物質的價格/可獲取性會有很大的影響。并且考慮到更高的功率性能，使得這些常用物質受到限制。陰電極的活性物質，其理論上可用于電化學電池和電池組中，可應用于電動工具、電驅動的機動車輛或混合驅動的車輛，即具有鎳、錳和鈷的鋰-混合氧化物(鋰-鎳-錳-鈷-混合氧化物，“NMC”)。出于安全和成本原因，鋰-鎳-錳-鈷-混合氧化物相對于鋰-鈷-氧化物被優先使用。關于適于作為陰電極的活性物質的鋰的鎳-錳-鈷-混合氧化物(在一些參考文獻中也稱作“NCM”)，其也可能存在缺陷，即以該混合氧化物為基礎的陰電極在長期運行過程中可能會有老化現象。對于包含在電化學電池中的陰電極和陽電極以及分隔物而言，作為陰電極物質的NMC的降低的穩定性可能導致所使用的分隔物具有增加的層厚度。由于成本原因，以及考慮到活性物質在未來的可獲取性，特別是對于顯著增加的需求，例如LiFePO4的鋰-聚陰離子-化合物，其也適合用作陰電極的活性物質，所述陰電極還可被用于高性能范圍的電化學電池和電化學電池組。 根據現有技術，本發明的任務和目的在于，提供一種電化學電池，該電化學電池是安全的、并具有相對來說高能量密度和/或高功率密度，并且還考慮到了活性物質的成本方面和可獲取性。優選地，本發明的任務和目的在于，提供一種電化學電池，其在提高了使用壽命和可靠性的情況下，具有更小的尺寸和提高了的能量密度和/或功率密度。依據本發明，上述的以及其它的任務和目的通過提供一種電化學電池的陰電極得以解決，所述陰電極包括至少一種載體，在其上應用有或沉淀有至少一種活性物質，其中所述活性物質包括(I)至少一種鋰-聚陰離子-化合物，或者(2)由不以尖晶石結構存在的鋰-鎳-猛-鈷-混合氧化物(NMC)和尖晶石結構的鋰-錳-氧化物(LMO)組成的混合物，或者(3) 一種由(I)和⑵組成的混合物，其中所述載體包括金屬材料，特別是鋁，并且所述載體具有15 y m至45 y m的厚度。依據本發明，所述任務和目的通過提供一種電化學電池得以解決，所述電化學電池包括 陰電極，其包括至少一種載體，在該載體上應用有或沉淀有至少一種活性物質，其中所述活性物質包括(I)至少一種鋰-聚陰離子-化合物，或者(2)由不以尖晶石結構存在的鋰-鎳-猛-鈷-混合氧化物(NMC)和尖晶石結構的鋰-錳-氧化物(LMO)所組成的至少一種混合物，或者(3) 一種由(I)和⑵組成的混合物，其中所述載體包括金屬材料，特別是鋁，并且所述載體具有15 y m至45 y m的厚度；籲陽電極，以及 分隔物，所述分隔物至少部分地設置在陰電極和/或陽電極之上或設置在陰電極和/或陽電極之間。
優選地，所述陽電極包括至少一個載體，所述載體優選地包括銅或碳纖維復合材料，其中所述載體具有1511111至4511111的厚度。優選地，所述載體在上述實施方式中構成為集電極箔的形式。進一步優選地，所述分隔物包括至少一種多孔陶瓷材料，優選地位于應用到有機載體物質中的層內，其中所述有機載體物質進一步優選地包括非交織聚合物。所述陰電極或所述電化學電池優選地應用在電池組中，其優選地用于電動工具和電驅動的車輛中，所述車輛包括以混合動力驅動的車輛或與燃料電池相結合的車輛。另外，所述電池組優選地應具有高能量密度和/或高功率密度。術語“陰電極”描述為電極，其在與負荷連通時(“放電”)，例如在電動機運行時獲得電子。因此所述陰電極在這種情況下是“正電極”。

在本發明的范疇中，陰電極或陽電極的“活性物質”是一種物質，該物質中可以嵌入離子形態或金屬形態或任何中間形態的鋰，特別是以晶格結構嵌入(“嵌入層”)。因此，活性物質“活躍地”參與在充電和放電過程中發生的電化學反應(與電極其它可能的組成部分，例如粘合劑、穩定劑或載體相反)。在本發明的范疇中，所述陰電極包括至少一種活性物質，其中所述活性物質包括(I)至少一種鋰-聚陰離子-化合物，或者(2)由不以尖晶石結構存在的鋰-鎳-猛-鈷-混合氧化物(NMC)和尖晶石結構的鋰-錳-氧化物(LMO)所組成的至少一種混合物，或者(3) 一種由(I)和⑵組成的混合物。此外，所述鋰-聚陰離子-化合物優選地由包括以下的一組物質中選擇
權利要求
1.一種用于電化學電池的陰電極，所述陰電極包括至少一種載體，在所述載體上應用有或沉淀有至少一種活性物質，其中所述活性物質包括 (1)至少一種鋰-聚陰離子-化合物，或者 (2)由不以尖晶石結構存在的鋰-鎳-錳-鈷-混合氧化物(NMC)與尖晶石結構的鋰-錳-氧化物(LMO)所組成的混合物，或者 (3)一種由⑴和(2)組成的混合物， 其中，所述載體包括金屬材料，特別是鋁，并且所述載體具有15 μ m至45 μ m的厚度。
2.一種電化學電池，包括 陰電極，所述陰電極包括至少一種載體，在所述載體上應用有或沉淀有至少一種活性物質，其中所述活性物質包括 (1)至少一種鋰-聚陰離子-化合物，或者 (2)由不以尖晶石結構存在的鋰-鎳-錳-鈷-混合氧化物(NMC)和尖晶石結構的鋰-錳-氧化物(LMO)所組成的至少一種混合物，或者 (3)一種由⑴和(2)組成的混合物， 其中，所述載體包括金屬材料，特別是鋁，并且所述載體具有15 μ m至45 μ m的厚度，其中所述載體優選地構成為集電極箔； 籲陽電極，以及 籲分隔物，所述分隔物至少部分地設置在陰電極和/或陽電極之上，或設置在陰電極和/或陽電極之間。
3.根據權利要求I所述的陰電極或根據權利要求2所述的電化學電池，其特征在于，所述活性物質包括至少50%的至少一種鋰-聚陰離子-化合物，其中所述化合物優選地從鈉-超離子導體、焦磷酸鹽、橄欖石、非結晶型鐵磷酸鹽、ΜοΧΟΗ、鈦鈾礦或硼酸鹽所組成的組中選擇。
4.根據權利要求3所述的陰電極或電化學電池，其特征在于，所述至少一種鋰-聚陰離子-化合物從包括 M3+ (X6+O4) 3、LiM3+2 (X6+O4) 2 (X5+O4)、LiM3+2 (X5+O4) 3、LiM4+2 (X5+O4) 3、Li2M4+M3+ (X5+O4) 3> Li2M5+M3+ (X5+O4) 3>M5+M4+ (X5+O4) 3、M5+OX5+O4'LiM4+OX5+O4'M4+OX6+O4 和 Li2M4+OX4+O4的亞組中選擇。
5.根據權利要求I所述的陰電極或根據權利要求2所述的電化學電池，其特征在于，相對于陰電極的活性物質的總摩爾數，所述活性物質包括至少30Mol %的，優選為至少50Mol %的鋰-鎳-猛-鈷-混合氧化物，并且同時包括至少IOMol %，優選為至少30Mol %的鋰-錳-氧化物。
6.根據權利要求I所述的陰電極或根據權利要求2所述的電化學電池，其特征在于，相對于陰電極的活性物質的總摩爾數，NMC和LMO兩者共計占活性物質的至少60Mol %，進一步優選為至少70Mol %，進一步優選為至少80Mol %，進一步優選為至少90Mol %，進一步優選為至少96Mol%。
7.根據前述權利要求中任一項所述的陰電極或電化學電池，其特征在于，相比于應用到所述載體上的所述材料的總重量，在所述載體上所應用的物質包括所述活性物質的80至90重量百分比，進一步優選為86至93重量百分比。
8.根據前述權利要求中任一項所述的陰電極或電化學電池，其特征在于，所述陰電極包括穩定劑，相比于應用到所述載體上的陰電極的質量的總重量，所述穩定劑重量比例優選為低于5重量百分比，優選為低于3重量百分比。
9.根據權利要求2所述的電化學電池，其特征在于，所述陽電極包括至少一個載體，所述載體優選地包括銅或碳纖維復合材料，其中所述載體具有15 μ m至45 μ m的厚度。
10.根據權利要求2或根據權利要求9所述的電化學電池，其特征在于，所述分隔物包括至少一種多孔陶瓷材料，優選位于在有機載體物質上應用的層內，其中所述有機載體物質優選地包括非交織聚合物或者為非交織聚合物。
11.根據權利要求2或根據權利要求9或10所述的電化學電池，其特征在于，所述分隔物的單面或雙面涂覆有聚醚酰亞胺。
12.根據權利要求2或根據權利要求9至11中任一項所述的電化學電池，其特征在于，所述陶瓷材料選自由至少一種金屬離子的氧化物、磷酸鹽、硫酸鹽、鈦酸鹽、硅酸鹽、鋁硅酸鹽或硼酸鹽所組成的組。
13.根據權利要求2或根據權利要求9至12中任一項所述的電化學電池，其特征在于，所述分隔物具有2至50 μ m厚度，優選為5至25 μ m的厚度。
14.根據前述權利要求中任一項所述的陰電極或電化學電池在鋰-離子-電池中以及在固定電池應用中的用途，所述鋰-離子-電池用于驅動電動工具和驅動車輛，特別是驅動全部由電驅動的車輛或主要由電驅動的車輛或以所謂的“混合”動力驅動的車輛，所述“混合”動力驅動也就是與內燃機結合或與燃料電池結合。
全文摘要
本發明涉及一種用于電化學電池的陰電極，所述陰電極包括至少一個載體，在其上應用有或沉淀有至少一種活性物質，其中所述活性物質包括(1)至少一種鋰-聚陰離子-化合物，或者，(2)由不以尖晶石結構存在的鋰-鎳-錳-鈷-混合氧化物(NMC)和尖晶石結構的鋰-錳-氧化物(LMO)所組成的化合物，或者，(3)一種由(1)和(2)組成的混合物，其中所述載體包括金屬材料，特別是鋁，并且所述載體具有15μm至45μm的厚度，特別是具有高能密度的電化學電池。利用上述活性物質使得除了能量密度之外還優化了電池的穩定性。另外還考慮了材料成本和材料的可獲取性。
文檔編號H01M4/525GK102792499SQ201180013741
公開日2012年11月21日 申請日期2011年2月22日 優先權日2010年3月15日
發明者安德里斯·古奇, 蒂姆·謝弗 申請人:鋰電池科技有限公司