Material de cátodo para baterías de litio recargables.

Batería de litio, que comprende un cátodo que incluye una composición con una fórmula empírica Lix1Ax2Ni1-y-zCoyBzOa,

donde: x1 es mayor que 0,1 e igual o menor que 1,3,

x2 es mayor que 0,0 e igual o menor que 0,2,

y es mayor que 0,0 e igual o menor que 0,2,

z es mayor que 0,0 e igual o menor que 0,2,

a es mayor que 1,5 y menor que 2,1,

A es al menos un elemento elegido del grupo consistente en bario, magnesio, calcio y estroncio y B es al menos un elemento elegido del grupo consistente en boro, aluminio, galio, manganeso, titanio, vanadio y circonio,

y donde los átomos A sustituyen los átomos Li y los átomos B y Co sustituyen los átomos Ni de la estructura de LiNiO2.

Material de cátodo para baterías de litio recargables

[CAMPO TÉCNICO]

La invención hace referencia a una composición y a un método para formar una composición, donde la composición es adecuada para su uso en un cátodo de una batería de litio. La invención también hace referencia a una batería de litio que utiliza un material de cátodo de la invención.

[TÉCNICA ANTERIOR]

Las baterías de litio se utilizan en una variedad de aplicaciones, tal como magnetoscopios, dispositivos de comunicación y muchos dispositivos portátiles. Tradicionalmente, la industria de las baterías de litio ha utilizado materiales de tipo LiCoO2 como componente activo de los cátodos de baterías de litio. Sin embargo, los cátodos de baterías de litio LiCoO2 normalmente son caros y muestran una capacidad relativamente baja.

Una alternativa al uso de materiales de cátodos basados en LiCoO2 son los materiales basados en LiNiO2, que normalmente son más baratos, pero a menudo muestran una capacidad específica superior. Normalmente, los materiales basados en LiNiO2 utilizados en cátodos de baterías de litio presentan un contenido de litio de aproximadamente 80 % y un contenido de cobalto de aproximadamente 20 % (porcentaje en peso atómico) . Sin embargo, los materiales basados en LiNiO2 generalmente son menos seguros (es decir, muestran mayor desprendimiento de gases) que los materiales del tipo LiCoO2. Además, los materiales basados en LiNiO2 muestran una eficiencia de primer ciclo que normalmente se encuentra entre aproximadamente un cinco y un diez por ciento inferior a la de los cátodos basados en LiCoO2. Normalmente, los materiales basados en LiCoO2 presentan eficiencias en un intervalo entre aproximadamente 93 % y aproximadamente 95 %, mientras que los materiales basados en LiNiO2 presentan eficiencias que varían entre aproximadamente 83 % a aproximadamente 88 %.

Otros materiales del cátodo conocidos en la técnica incluyen, por ejemplo, aquellos con una fórmula química Lix-1AxNi1-yByO2, donde "A" representa un elemento metal alcalinotérreo o alcalino y "B" representa al menos un metal de transición. Se cree que los materiales del cátodo con la presente composición normalmente muestran poca o ninguna mejora sobre los materiales tradicionales.

Patent Abstracts of Japan vol. 1999 nº 09, 30 de julio 1999, revela una composición como material del cátodo en una batería de litio con una fórmula LiNi1-xCoyMaMbO2 con M elegido de entre titanio, circonio o su mezcla y M' elegido de entre magnesio, calcio, estroncio, bario o su mezcla.

Patent Abstracts of Japan vol. 1997, nº 03, 31 de marzo 1997, revela un material activo positivo con la fórmula LiNibM1cM2dM3eO2, donde M1 es al menos un elemento elegido de entre Co, Mn y Fe, M2 es al menos un elemento elegido de entre B, Al, In y Sn y M3 es al menos un elemento elegido de entre Mg y Zn.

Patent Abstracts of Japan vol. 1998, nº 13, 30 de noviembre 1998, revela un material de electrodos positivos que comprende AwMgvNixMyBzO2, donde A puede ser litio y N puede ser cobalto o manganeso.

Por lo tanto, existe la necesidad de materiales del cátodo adecuados para su uso en baterías basadas en litio que minimizan o superan los problemas mencionados anteriormente.

[EXPOSICIÓN DE LA INVENCIÓN]

La invención se dirige generalmente a una composición y a un método para formar una composición, donde la composición es adecuada para su uso en un cátodo de una batería de litio. La invención también se dirige a una batería de litio que utiliza un material del cátodo de la invención.

En una forma de realización, la invención es una batería de litio, que comprende un cátodo que incluye una composición con un cristal, donde el cristal presenta una fórmula empírica Lix1Ax2Ni1-y-zCoyBzOa. "x1" es mayor que aproximadamente 0, 1 e igual o menor que aproximadamente 1, 3, "x2" es mayor que aproximadamente 0, 0 e igual o menor que aproximadamente 0, 2, "y" es mayor que aproximadamente 0, 0 e igual o mayor que aproximadamente 0, 2 y "a" es mayor que aproximadamente 1, 5 e inferior que aproximadamente 2, 1. "A" es al menos un elemento elegido de entre el grupo consistente en bario, magnesio, calcio y estroncio. "B" es al menos un elemento elegido del grupo consistente en boro, aluminio, galio, manganeso, titanio, vanadio y circonio. Los átomos A sustituyen los átomos Li y los átomos B y Co sustituyen los átomos Ni de la estructura de LiNiO2.

En otra forma de realización, la invención es un cátodo con una composición de la fórmula empírica

Lix1Ax2Ni1-y-zCoyBzOa, donde "x1" es mayor que aproximadamente 0, 1 e igual o menor que aproximadamente 1, 3, cada una de "x2, " "y" y "z" es mayor que aproximadamente 0, 0 e igual o menor que aproximadamente 0, 2, "a" es mayor que 1, 5 e igual o menor que 2, 1, "A" es al menos un elemento elegido del grupo consistente en bario, magnesio, calcio y estroncio y "B" es al menos un elemento elegido del grupo consistente en aluminio, galio, manganeso, titanio, vanadio y circonio. Los átomos A sustituyen los átomos Li y los átomos B y Co sustituyen los átomos Ni de la estructura de LiNiO2.

La composición puede formarse mediante un método que incluye la etapa de combinar litio, níquel, cobalto, al menos un elemento "A" elegido de entre el grupo consistente en bario, magnesio, calcio y estroncio y al menos un elemento "B" elegido del grupo consistente en boro, aluminio, galio, manganeso, titanio, vanadio y circonio, en presencia de oxígeno. Los componentes se combinan con una relación relativa de Lix1:Ax2:Ni1-yz:Coy:Bz, donde "x1" es mayor que aproximadamente 0, 1 e igual o menor que aproximadamente 1, 3, y cada una de "x2, " "y" y "z" es mayor que aproximadamente 0, 0 e igual o menor que aproximadamente 0, 2. Los componentes combinados se calientan hasta una temperatura de cristalización con un intervalo de entre aproximadamente 400 °C y aproximadamente 950 °C durante un periodo de tiempo que hace que los elementos formen una estructura de cristal.

La composición de la invención reivindicada generalmente mostrará una capacidad, ciclabilidad y seguridad mejoradas sobre los equivalentes LiCoO2 y LiNiO2. Además, estas composiciones normalmente son menos caras de fabricar que los materiales basados en LiCoO2, debido al contenido reducido de cobalto. Asimismo, la capacidad, ciclabilidad y seguridad de los materiales utilizados como cátodos se manipulan mediante el uso de combinaciones específicas de impurificadores con el fin de sustituir el litio y el níquel en la red cristalina de la composición.

[BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS]

La figura 1 es una vista en sección transversal de una batería de la invención basada en litio y un cátodo de la invención. La figura 2 es una representación tridimensional de la estructura de cristal de la invención. Las figuras 3A hasta 3C son representaciones de oxígeno, metal y oxígeno combinado y planos metálicos en una estructura de cristal con la fórmula empírica LiMO2, proyectados sobre el plano (012) . Las figuras 4A y 4B representan la densidad de carga, la parte superior (x=1, figura 4A) y la parte inferior (x=0, figura 4B) , de una estructura de cristal LixNiO2. La figura 5 es una representación de la densidad de carga en los planos metálicos de LixNiO2 para x=1. La figura 6 es una representación de la densidad de carga en los planos metálicos de LixNiO2 para x=0. La figura 7 es un gráfico de la longitud del eje c frente al contenido de litio (x) en LiCoOx según lo determinado teóricamente y según lo identificado por el experimento. La figura 8 es un gráfico de la longitud del eje c frente al contenido de litio (x) en LiNiO2 según lo predicho teóricamente. La figura 9 es un gráfico del voltaje (V) frente a la capacidad específica (mAh/g) , identificados como curvas de polarización de tres materiales: LiCoO2, LiNi0, 8Co0, 2O2 y Li1, 05Mg0, 05Ni0, 85Co0, 1Mn0, 05O2.

[DESCRIPCIÓN DE LAS FORMAS DE REALIZACIÓN PREFERIDAS]

Las características anteriores y otros detalles de la invención se describirán a continuación más concretamente haciendo referencia a los dibujos adjuntos y señalados en las reivindicaciones. Se entenderá que las formas de realización específicas de la invención se muestran a modo de ilustración y no como limitaciones de la invención. Las principales características de la presente invención pueden utilizarse en diferentes formas de realización sin alejarse del alcance de la invención.

La presente invención está dirigida generalmente a una composición, o cristal, con la siguiente fórmula empírica: Lix1Ax2Ni1-y-zCoyBzOa. La estructura de cristal es del tipo "-NaFeO2" y puede caracterizarse como una 55 red hexagonal... [Seguir leyendo]

1. Batería de litio, que comprende un cátodo que incluye una composición con una fórmula empírica Lix1Ax2Ni1-y-zCoyBzOa, donde: x1 es mayor que 0, 1 e igual o menor que 1, 3, x2 es mayor que 0, 0 e igual o menor que 0, 2, 10 y es mayor que 0, 0 e igual o menor que 0, 2, z es mayor que 0, 0 e igual o menor que 0, 2, a es mayor que 1, 5 y menor que 2, 1, A es al menos un elemento elegido del grupo consistente en bario, magnesio, calcio y estroncio y B es al menos un elemento elegido del grupo consistente en boro, aluminio, galio, manganeso, titanio, 15 vanadio y circonio, y donde los átomos A sustituyen los átomos Li y los átomos B y Co sustituyen los átomos Ni de la estructura de LiNiO2.

2. Cátodo de una batería de litio, que comprende una composición con una fórmula empírica Lix1Ax2Ni1-y-zCoyBzOa, donde: x1 es mayor que 0, 1 e igual o menor que 1, 3, x2 es mayor que 0, 0 e igual o menor que 0, 2, y es mayor que 0, 0 e igual o menor que 0, 2, z es mayor que 0, 0 e igual o menor que 0, 2, a es mayor que 1, 5 y menor que 2, 1, A es al menos un elemento elegido del grupo consistente en bario, magnesio, calcio y estroncio y 30 B es al menos un elemento elegido del grupo consistente en boro, aluminio, galio, manganeso, titanio, vanadio y circonio, y donde los átomos A sustituyen los átomos Li y los átomos B y Co sustituyen los átomos Ni de la estructura de LiNiO2.

3. Cátodo de acuerdo con la reivindicación 2, donde A es magnesio y B es manganeso.

4. Cátodo de acuerdo con la reivindicación 2, que incluye además un aglutinante polimérico.

5. Cátodo de acuerdo con la reivindicación 4, donde el aglutinante polimérico se elige del grupo consistente en 40 politetrafluoroetileno, fluoruro de polivinilideno y caucho estireno-butadieno.

6. Cátodo de acuerdo con la reivindicación 3, que incluye además al menos uno de entre negro de humo y grafito.

7. Cátodo de acuerdo con la reivindicación 2, donde A es magnesio y B es manganeso, donde el cátodo incluye además un aglutinante polimérico y donde el aglutinante polimérico se elige del grupo consistente en politetrafluoroetileno, fluoruro de polivinilideno y caucho estireno-butadieno.

8. Cátodo de acuerdo con la reivindicación 7, que incluye además al menos uno de entre negro de humo y 50 grafito.