一种电池正极材料及使用该电池正极材料的正极片的制备方法与流程

文档序号:11252905

本发明涉及锂离子电池材料领域,特别是一种电池正极材料及使用该电池正极材料的正极片的制备方法。



背景技术:

锂离子电池具有工作高电压、高比能、长循环寿命、高自放电率、无污染等优势,现已广泛用于移动电话、便携式计算机、数码产品等小型电子设备,并已在电动汽车和混合动力汽车等交通工具上展示出广阔的应用前景和强劲的发展势头。

锂离子电池主要有正负极材料、隔膜和电解液组成。锂电池的安全问题是目前实际应用的一大瓶颈,当大倍率充放电时,电池内部产生各种电化学反应致使电池内部温度和气压持续升高而导致电池极易热失控,甚至引起电池的燃烧和爆炸。然而要从根本上解决锂离子电池的安全性能,必须优化电池所用材料的性能,使用高安全性能的电池材料。

传统的提高锂电池安全性能的措施包括采用电流保护板、限制电池工作电压,电解液中添加阻燃添加剂,在电池内部设置ptc等方式,这些方式虽在一定程度上能够提高电池安全性能,但对电池产生一定的负面影响,如电流保护板针对的是电池外部短路,对电池内部短路无能为力;限制工作电压的同时也限制了电池能量密度的发挥;电解液中添加阻燃添加剂会降低电解液电导率造成电池内阻增大;在内部设置ptc则对电池设计产生一定的影响等。同时,这些防护措施对于典型的电池外部针刺情况缺乏足够的防护作用。由于针刺情况下电池内部发生直接短路,电流陡增导致电池内部温度骤增,增加了电池起火爆炸的危险,因此对电池针刺提出了更高的防护要求。



技术实现要素:

有鉴于此,本发明提供了一种可提高正极片的针刺安全性能的电池正极材料及使用该电池正极材料的正极片的制备方法,以解决上述技术问题。

一种电池正极材料,其包括正极活性材料,导电剂、粘结剂、以及功能性添加剂,该四种组份的质量比为95:2.5:1.5:1,所述功能性添加剂包括无机添加剂与有机添加剂,所述无机添加剂为硼酸、硼砂、氧化钼、氧化锌、氧化锡及氧化铁中的至少一种或几种的混合物,所述有机添加剂为能在高温时发生裂解生成硅氧键和/或硅碳键和裂解碳层的硅树脂,所述硅树脂在裂解时能分解出氨基或氟,所述硅树脂的硅氧键和/或硅碳键与无机添加剂形成无机隔氧绝热保护层以提高阻燃性能。

进一步地,所述正极活性材料为钴酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂、镍酸锂中的一种或几种。

进一步地,所述导电剂为天然鳞片石墨、微晶石墨或导电碳黑。

进一步地,所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素纳中的一种或几种的混合物。

进一步地,所述硅树脂为甲基硅树脂、甲基苯硅树脂、聚甲基硅树脂、氨基硅树脂、氟硅树脂中的至少一种。

进一步地,所述硅树脂为氨基硅树脂或氟硅树脂。

进一步地,所述功能性添加剂中无机添加剂占所述功能性添加剂的总质量的10%~30%。

一种使用电池正极材料的正极片的制备方法,其包括下列步骤:

s1:将正极活性材料、导电剂、粘结剂、以及功能性添加剂按该四种组份的质量比为95:2.5:1.5:1进行备料,所述功能性添加剂包括无机添加剂与有机添加剂,所述无机添加剂为硼酸、硼砂、氧化钼、氧化锌、氧化锡及氧化铁中的至少一种或几种的混合物,所述有机添加剂为能在高温时发生裂解生成硅氧键和/或硅碳键和裂解碳层的硅树脂,所述硅树脂在裂解时能分解出氨基或氟,所述硅树脂的硅氧键和/或硅碳键与无机添加剂形成无机隔氧绝热保护层;

s2:提供适量的溶剂,将所述粘结剂、有机添加剂加入到该溶剂进行混合均匀成均一的胶体;

s3:将所述正极活性材料、导电剂、以及无机添加剂进行干混,并混合均匀;

s4:给由步骤s3所制得的混合物加入所述溶剂,所述溶剂的量以以润湿干粉的表面为准;

s5:将步骤s2制得的胶体加入到步骤s4制得的表面润湿的干粉混合物中并搅拌均匀;

s6:提供集流体,将混合均匀的电池正极材料涂覆在所述集流体上,然后进行烘干、辊压以形成正极片。

进一步地,所述功能性添加剂中无机添加剂占所述功能性添加剂的总质量的10%~30%。

进一步地,在步骤s3中搅拌条件为在1hz~1000hz公转或/和自转下搅拌10分钟至12小时。

与现有技术相比,在正极片中添加所述功能性添加剂,既可以降低由温度骤增引起的燃烧或爆炸的可能性,提高电池的针刺安全性能,同时避免添加剂直接和负极接触,避免由添加剂和负极兼容性带来的容量损失。另外,采用有机添加剂和无机添加剂分步混合使用,不仅能使添加剂能与正极材料、导电剂、粘结剂混合均匀,而且二者能够协同作用,进一步提高阻燃性能,提高电池的针刺安全性能。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施例进行进一步详细说明。应当理解的是,此处对本发明实施例的说明并不用于限定本发明的保护范围。

本发明提供的一种电池正极材料,其包括正极活性材料,导电剂、粘结剂、以及功能性添加剂,该四种组份的质量比为95:2.5:1.5:1。当然可以想到的是,在制备所述正极片,还需要溶剂、集流体等组份材料,由于其是本领域技术人员的所习知的内容,所述溶剂可以为nmp,其组份重量比可以根据需要进行调节,所以在本实施例中不再将其作为电极正极材料的总质量的一部分来说明其质量比。所述集流体可以为一成品材料,例如可以选自铝箔、冲孔钢带等。在本实施例中,可以选择铝箔作为正极集流体。通过将上述的四种材料涂覆在该集流体上即可以制成正极片,且其为现有技术,在此也不再详细说明。

所述正极活性材料可以为钴酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂、镍酸锂中的一种或几种。所述导电剂可以为天然鳞片石墨、微晶石墨或导电碳黑。在本实施例中,所述导电剂为天然鳞片石墨,其重量份为2.5。

所述功能性添加剂包括无机添加剂与有机添加剂。所述无机添加剂为硼酸、硼砂、氧化钼、氧化锌、氧化锡及氧化铁中的至少一种或几种的混合物,所述有机添加剂为硅树脂,所述硅树脂能与所述无机添加剂协同作用以提高阻燃性能。所述粘结剂可以为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素纳中的一种或几种的混合物。在本实施例中,所述粘结剂为聚四氟乙烯,其重量份为1.5。所述功能性添加剂包括无机添加剂与有机添加剂。所述无机添加剂为硼酸、硼砂、氧化钼、氧化锌、氧化锡及氧化铁中的至少一种或几种的混合物,所述有机添加剂可以为能在高温时发生裂解生成硅氧键和/或硅碳键和裂解碳层硅树脂。由于上述材料在制备正极片时,硅树脂会迁移到材料表面,而在高温时该硅树脂将发生裂解并生成硅氧键和/或硅碳键和裂解碳层,这些生成的硅氧键和/或硅碳键与无机添加剂形成无机隔氧绝热保护层。这样的无机隔氧绝热保护层既可以阻止分解物外逸,又可以抑制材料的热分解从而达到提高阻燃的目的。另外,所述硅树脂所生成的裂解碳层还可以隔绝外界的空气和热量,降低材料的可燃性。另一方面,硅树脂分解的氨基或氟可以捕获燃烧反应中的自由基,从而阻止火焰的传播,使燃烧区的火焰密度下降,使燃烧反应速度下降直至终止。由上所述,所述硅树脂能与所述无机添加剂的协同作用即可以提高阻燃性能。所述硅树脂为甲基硅树脂、甲基苯硅树脂、聚甲基硅树脂、氨基硅树脂、氟硅树脂中的至少一种。进一步地,所述硅树脂还可以为氨基硅树脂或氟硅树脂。所述功能性添加剂中无机添加剂占所述功能性添加剂的总质量的10%~30%。当然,可以想到的是,上述的任何一种硅树脂都可以与任意一种无机添加剂发生上述的协同作用以提供阻燃性能。

根据上述的材料名称及重量份进行备料,然后制备所述使用该电池正极材料的正极片的制备方法,具体包括下列步骤:

s1:将正极活性材料、导电剂、粘结剂、以及功能性添加剂按该四种组份的质量比为95:2.5:1.5:1进行备料,所述功能性添加剂包括无机添加剂与有机添加剂;

s2:提供适量的溶剂,将所述粘结剂、有机添加剂加入到该溶剂进行混合均匀成均一的胶体;

s3:将所述正极活性材料、导电剂、以及无机添加剂进行干混,并混合均匀;

s4:给由步骤s3所制得的混合物加入所述溶剂,所述溶剂的加入量以润湿干粉的表面为准;

s5:将步骤s2制得的胶体加入到步骤s4制得的表面润湿的干粉混合物中并搅拌均匀;

s6:提供集流体,将混合均匀的电池正极材料涂覆在所述集流体上,然后进行烘干、辊压以形成正极片。

在步骤s2中,所述胶体应为一种粘稠状态,不可以自然流动为准。所述“均一”应为充分均匀,不能发生结团,分层等现象。

在步骤s3中,其搅拌条件为在1hz~1000hz公转或/和自转下搅拌10分钟至12小时。在该步骤中,由于在加入胶体将正极活性材料、导电剂和无机添加剂进行干混后加入溶剂润湿粉体表面,一方面可以使正极材料、导电剂和无机添加剂均匀的分散在胶体中,另一方面可以降低活性物质的表面张力,从而防止固体颗粒之间的团聚,更有利于浆料的均匀混合,提高极片的一致性和加工性能。

在步骤s2、s3、s5中,本领域技术人员皆应该明白的是,所述搅拌可以真空搅拌机中进行。该真空搅拌机可以根据实际的需要对其自转或/和公转的频率进行调整,其搅拌时间也是可以根据实际需要来设定。

最后,通过步骤s6,将该正极浆料进行涂布、烘干以及辊压后即可形成正极片。至于所述涂布、烘干以及辊压的方法及设备应当为本领域技术人员所习知的技术,在此不再赘述。

将上述的正极片分切成小片,再焊接上极耳即可以制成正极极片,搭配由负极材料制成的负极极片,电解质采用lif6po4,配以电解液为ec/emc溶剂体系,锂盐浓度为1m/l,即可以制得锂离子电池。

与现有技术相比,在正极片中添加所述功能性添加剂,既可以降低由温度骤增引起的燃烧或爆炸的可能性,提高电池的针刺安全性能,同时避免添加剂直接和负极接触,避免由添加剂和负极兼容性带来的容量损失。另外,采用有机添加剂和无机添加剂分步混合使用,不仅能使添加剂能与正极材料、导电剂、粘结剂混合均匀,而且二者能够协同作用,进一步提高阻燃性能,提高电池的针刺安全性能。

以上仅为本发明的较佳实施例,并不用于局限本发明的保护范围,任何在本发明精神内的修改、等同替换或改进等,都涵盖在本发明的权利要求范围内。

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