锂离子电池活性物质、锂离子电池材料及锂离子动力电池的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种锂离子电池活性物质、锂离子电池正极材料及采用此正极材料的锂离子动力电池，该锂离子电池正极活性物质包括锰酸锂及高镍三元材料，所述锰酸锂的重量百分比含量为10%～90％，所述高镍三元材料的重量百分比含量为10%～90％。该锂离子电池正极材料包括锂离子电池活性物质。本发明的锂离子电池正极活性物质利用锰酸锂的大倍率性能和安全性能，同时利用高镍三元材料的较高的容量和良好的循环性能，因此，本发明的锂离子电池正极活性物质、采用锂离子电池活性物质的锂离子电池正极材料及锂离子动力电池具有高容量、长寿命、大倍率、低成本的优势。
【专利说明】锂离子电池活性物质、锂离子电池材料及锂离子动力电池
【技术领域】
[0001] 本发明涉及锂动力电池，尤其涉及锂离子动力电池的正极材料活性物质。
【背景技术】
[0002] 近些年，锂离子负极材料取得了较快的发展。相对而言，正极材料的研究有些滞 后。在锂离子电池中，正极材料其核心作用，所以正极材料在很大程度上影响锂离子电池的 发展。研究开发新型正极材料成为锂离子电池取得下一步突破的的重要因素。作为理想的 锂离子正极材料，应满足以下几个方面：
[0003] (1)材料中含有能够发生氧化还原反应的离子，反应时要具有较高的吉布斯自由 能（高的放电电压）；（2)材料的分子量小，能够容纳较多的锂离子（高的比容量）；(3)Li+ 在材料中扩散速率要快，而且电极界面要稳定（高的功率密度）；(4)材料的结构稳定，Li+ 在嵌入/脱出过程中体积变化小，有长的循环寿命；(5)在电解液中化学稳定性好，安全性 高；(6)制备方法简便，成本低；（7)无污染，环境友好。
[0004] 目前已被使用和研究的正极材料主要有LiC02、LiNi02、LiFeP04、LiMn204、LiCo1/ 3叫/I3Mn1 / 302、LiNia5Mr^5O4等。
[0005] 尖晶石型LiMn2O4具有原料资源丰富、成本低、无污染等天然优势，同时由其尖晶 石结构的三维Li+通道而具有的较高工作电压和较好的导电性等优势而被认为是最有希望 的动力锂电池正极材料之一。
[0006] 尖晶石型LiMn2O4属于Fd3m空间群，Li+占据8a格位、（Γ占据32e格位、Mn3+和 Mn4+占据16d格位。每个晶胞中含有8个LiMn2O4分子，32个扩离子呈立方最紧密堆积排 列。四面体的48f和8b与八面体的16c共面的结构提供了锂离子嵌入和脱嵌的扩散通道。 这种三维Li+通道的结构有利于提升电池的大倍率充放性能。但是，在充放电循环过程中 容量衰减快，特别是高温（>55°C)性能不稳定的缺点成为其发展的障碍，这主要与锰发生 歧化反应而溶解到电解液中以及深度放电时发生Jalln-Teller效应导致晶格结构的变化 有关。
[0007] 如何开发一种新的锂离子电池正极活性物质，以解决单一的采用锰酸锂材料产生 的循环寿命短以及单独采用高镍三元材料倍率差、不易加工的问题为了解决这些问题，成 为本领域技术人员急于解决的技术问题。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种锂离子电池活性物质、锂离子电池正极材料及采用此 正极材料的锂离子动力电池，以解决单一的采用锰酸锂材料产生的循环寿命短以及单独采 用高镍三元材料倍率差、不易加工的问题。
[0009] 为实现上述目的，本发明提出了一种锂离子电池正极活性物质，包括锰酸锂及高 镍三元材料，所述锰酸锂的重量百分比含量为10%?90 %，所述高镍三元材料的重量百分 比含量为10%?90%。
[0010] 其中，所述锰酸锂的重量百分比含量为50%，所述高镍三元材料的重量百分比含 量为50%。
[0011]其中，所述锰酸锂为尖晶石型锰酸锂，所述尖晶石型锰酸锂化学式为LiMn2_xMx04_ s，其中M为Al、Ti、Ce、Co、Ni中的一种，X的取值为介于0· 05?0· 5之间，δ 的取值为介于〇. 01?〇. 1之间；所述高镍三元材料的化学式为LiNixC〇YMni_x_Y0 2(X > 0. 5， Y > 0· 1)。
[0012] 其中，所述锰酸锂及所述高镍三元材料的混合方法采用物理混合。
[0013]而且，为实现上述目的，本发明提出了一种锂离子电池正极材料，包括上述的锂离 子电池活性物质。
[0014] 其中，上述锂离子电池正极材料还包括导电剂及粘结剂，所述锂离子电池活性物 质的重量百分比含量为75-90%，所述导电剂的重量比含量为1 %?20%，所述粘结剂的重 量比含量为2%?10%。
[0015]其中，所述导电剂包括乙炔黑、鳞片石墨、导电炭黑或碳纳米管中的一种，或者由 上述任意二种或二种以上的材料混合而成。
[0016]其中，所述粘结剂是聚偏氟乙烯。
[0017]而且，为实现上述目的，本发明提出一种锂离子动力电池，包括壳体、正极、负极、 隔膜及电解液，所述正极包括上述锂离子电池正极材料。
[0018]其中，所述正极、所述隔膜及所述负极依次叠放并采用叠片式结构或卷绕式结构 构成卷芯。
[0019]本发明的锂离子电池正极活性物质利用锰酸锂的大倍率性能和安全性能，同时利 用高镍三元材料的较高的容量和良好的循环性能，因此，本发明的锂离子电池正极活性物 质、采用锂离子电池活性物质的锂离子电池正极材料及锂离子动力电池具有高容量、长寿 命、大倍率、低成本的优势。
【具体实施方式】
[0020] 本发明的锂离子电池正极活性物质利用锰酸锂的大倍率性能和安全性能，同时利 用高镍三元材料的较高的容量和良好的循环性能。该锂离子电池正极活性物质，包括锰酸 锂及高镍三元材料，所述锰酸锂的重量百分比含量为10%?90%，所述高镍三元材料的重 量百分比含量为10%?90%。其中，所述锰酸锂及所述高镍三元材料的混合方法采用物理 混合。
[0021]较佳地，所述锰酸锂的重量百分比含量为50%，所述高镍三元材料的重量百分比 含量为50%。
[0022] 较佳地，所述锰酸锂为尖晶石型锰酸锂，所述尖晶石型锰酸锂化学式为 LiMn2_xMx04_ s，其中M为Al、Ti、Ce、Co、Ni中的一种，X的取值为介于0.05?0.5之间，δ 的取值为介于〇. 01?〇. 1之间；所述高镍三元材料的化学式为LiNixC〇YMni_x_Y0 2(X > 0. 5， Y彡0. 1)。更佳地，所述尖晶石型锰酸锂化学式为LiMr^8Tia2O4;所述高镍三元材料的化学 式为LiNi。.gCo。.gMn。. 2〇2?
[0023] 而且，本发明提出了一种锂离子电池正极材料，包括上述的锂离子电池活性物质， 并且，还可包括导电剂及粘结剂，所述锂离子电池活性物质的重量百分比含量为75-90%，所 述导电剂的重量比含量为I%?20%，所述粘结剂的重量比含量为2%?10%。
[0024]其中，锂离子电池正极材料制备中还加入溶液，所述溶液较佳为N-N-二甲基吡咯 烷酮（NMP)，且所述溶液使得锂离子电池正极材料固含量较佳为55%_70%。
[0025]其中，所述导电剂包括乙炔黑、鳞片石墨、导电炭黑或碳纳米管中的一种，或者由 上述任意二种或二种以上的材料混合而成，所述粘结剂是聚偏氟乙烯（PVdF)。
[0026] 而且，本发明提出一种锂离子动力电池，包括壳体、正极、负极、隔膜及电解液，所 述正极包括上述锂离子电池正极材料，所述负极材料包括人造石墨或天然石墨，所述正极、 所述隔膜及所述负极依次叠放并采用叠片式结构或卷绕式结构构成卷芯，卷芯装入电池的 壳体中，然后注入电解液、封口、化成。所述壳体是铝壳、钢壳或者软包装铝塑膜。
[0027]本发明的锂离子电池的制作流程如下：
[0028] 正负极配料--正负极涂布--正负极烘烤--正负极压片--正负极分切制 片--正负极叠片（卷绕）--封装--烘烤--注液--化成--高温聚合--真空密 封--容量分选--成品。
[0029]本发明的锂离子电池正极材料可以应用于铝壳电池、钢壳电池、聚合物电池或液 态软包装电池。
[0030] 实施例1 :
[0031]本实施例采用的电池型号为PL05185265,容量为15Ah，采用叠片式结构。正极采 用锰酸锂和三元材料按照50% : 50%的比例混合，负极使用人造石墨，隔膜使用25μπι单 层聚乙烯隔膜，制作常规电池。
[0032] 实施例2 :
[0033]本实施例采用的电池型号为PL05185265,容量为15Ah，采用叠片式结构。正极采 用锰酸锂和三元材料按照10% : 90%的比例混合，负极使用人造石墨，隔膜使用25μπι单 层聚乙烯隔膜，制作常规电池。
[0034] 实施例3:
[0035]本实施例采用的电池型号为PL05185265,容量为15Ah，采用叠片式结构。正极采 用锰酸锂和三元材料按照90% : 10%的比例混合，负极使用人造石墨，隔膜使用25μπι单 层聚乙烯隔膜，制作常规电池。
[0036] 对比例1 :正极采用锰酸锂，负极使用人造石墨，隔膜使用25μπι单层聚乙烯隔膜， 常规制作电池。
[0037]对比例2 :正极采用高镍三元材料，负极使用人造石墨，隔膜使用25μm单层聚乙 烯隔膜，常规制作电池。
[0038]实施例与对比例的试验结果见下表：
[0039]
【权利要求】
1. 一种锂离子电池正极活性物质，其特征在于，包括锰酸锂及高镍三元材料，所述锰酸 锂的重量百分比含量为10%?90%，所述高镍三元材料的重量百分比含量为10%?90%。
2. 根据权利要求1所述的锂离子电池正极活性物质，其特征在于，所述锰酸锂的重量 百分比含量为50%，所述高镍三元材料的重量百分比含量为50%。
3. 根据权利要求1所述的锂离子电池正极活性物质，其特征在于，所述锰酸锂为尖晶 石型锰酸锂，所述尖晶石型锰酸锂化学式为LiMn2_xMx04_ s，其中M为Al、Ti、Ce、Co、Ni中的 一种，x的取值为介于0. 05?0. 5之间，S的取值为介于〇. 01?〇. 1之间；所述高镍三元 材料的化学式为 LiNixCoyMrimC^，X > 0? 5, Y 彡 0? 1。
4. 根据权利要求1所述的锂离子电池正极活性物质，其特征在于，所述锰酸锂及所述 高镍三元材料的混合方法采用物理混合。
5. -种锂离子电池正极材料，包括权利要求1-3中任意一项所述的锂离子电池活性物 质。
6. 根据权利要求5所述的锂离子电池正极材料，其特征在于，还包括导电剂及粘结剂， 所述锂离子电池活性物质的重量百分比含量为75-90%，所述导电剂的重量比含量为1%? 20%，所述粘结剂的重量比含量为2%?10%。
7. 根据权利要求5所述的锂离子电池正极材料，其特征在于，所述导电剂包括乙炔黑、 鳞片石墨、导电炭黑或碳纳米管中的一种，或者由上述任意二种或二种以上的材料混合而 成。
8. 根据权利要求5所述的锂离子电池正极材料，其特征在于，所述粘结剂是聚偏氟乙 烯。
9. 一种锂离子动力电池，其特征在于，包括壳体、正极、负极、隔膜及电解液，所述正极 包括权利要求5所述的锂离子电池正极材料。
10. 根据权利要求9所述的锂离子动力电池，其特征在于，所述正极、所述隔膜及所述 负极依次叠放并采用叠片式结构或卷绕式结构构成卷芯。
【文档编号】H01M4/505GK104425816SQ201310407161
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年9月9日 优先权日:2013年9月9日
【发明者】陈金卓, 郭伟, 慈云祥 申请人:北京国能电池科技有限公司