CN102117913A - 使用混合正极材料的动力电池 - Google Patents

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徐延铭
李俊义
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Abstract

本发明涉及使用混合正极材料的动力电池，正极包括活性物质、导电剂、粘结剂和溶液，活性物质采用磷酸铁锂和镍锰钴三元材料的混合材料，其中重量比磷酸铁锂5％～95％，导电剂1％～20％，粘结剂2％～10％。导电剂包括乙炔黑或炭黑；粘结剂是聚偏氟乙烯；溶液是N-N-二甲基吡咯烷酮。本发明与传统磷酸铁锂动力电池相比：1、工作电压2.75V～4.2V，优于磷酸铁锂电池；2、良好的高温性能；3、良好的低温性能，0℃放电容量达90％以上；4、优异的安全特性，本发明耐过充性能与磷酸铁锂一致；5、高能量密度，磷酸铁锂的压实密度2.0～2.1，镍锰钴三元3.4～3.8，二者混合后可达2.2～2.9。

Description

使用混合正极材料的动力电池
技术领域
本发明涉及动力电池，尤其是一种正极采用镍锰钴三元材料和磷酸铁锂混合材料的动力电池。
背景技术
磷酸铁锂已经广泛应用于动力电池领域，伴随着其高安全性、高循环寿命优点的同时，磷酸铁锂电池同时也存在着明显的缺点，例如导电性差、锂离子扩散速度慢；高倍率充放电时，实际比容量低。以上问题是制约磷酸铁锂电池产业发展的难点，也是磷酸铁锂之所以至今没有大范围应用的一个主要原因。
目前，磷酸铁锂导电性差的问题已经得到较好的解决，通常采用的方法是添加碳(C)或其它导电剂。在实际生产过程中，通过在前驱体添加有机碳源和高价金属离子联合掺杂的办法来改善材料的导电性，研究表明，磷酸铁锂的电导率提高了7个数量级，使磷酸铁锂具备了和钴酸锂相近的电导特性。实验室报道，当0.1C充放电时，可以达到165mAh/g以上的比容量，实际达到135-145mAh/g，基本接近钴酸锂的水平。
但是，锂离子扩散速度慢的问题至今仍然没有得到较好的解决，现有解决方案主要有添加纳米化LiFeP04晶粒，从而减小锂离子在晶粒中的扩散距离；再者就是掺杂改善锂离子的扩散通道。后一种方法的效果并不明显，纳米化已经有较多研究，但是目前难以应用到实际工业生产中。
磷酸铁锂电池振实密度较低，一般只能达到0.8-1.3，低的振实密度算是磷酸铁锂的很大缺点。磷酸铁锂电池低温性能差，人们通过各种方法试图改善磷酸铁锂的低温性能，例如锂位、铁位、甚至磷酸位掺杂改善离子和电子导电性能，通过改善一次或二次颗粒的粒径及形貌控制有效反应面积，通过加入额外的导电剂增加电子导电性等。但是，磷酸铁锂材料的固有特点决定其低温性能劣于锰酸锂等其他正极材料。一般情况下，对于单只电芯而言，其0℃时的容量保持率约60～70％，-10℃时为40～55％，-20℃时为20～40％。这样的低温性能显然不能满足动力电源的使用要求。当前一些厂家通过改进电解液体系、改进正极配方、改进材料性能和改善电芯结构设计等，使磷酸铁锂的低温性能有所提升，但仍未真正满足需求。
发明内容
本发明的目的是利用磷酸铁锂的高安全性和良好的循环性能，同时利用镍锰钴三元材料的良好温度特性和循环性能，提供一种利用二者混合材料制作的新型磷酸铁锂动力电池。
本发明的目的是通过采用以下技术方案来实现的：
动力电池的混合正极材料，包括正极活性物质、导电剂、粘结剂和溶液，所述正极活性物质采用磷酸铁锂和镍锰钴三元材料的混合材料，其中磷酸铁锂的重量比含量是5％～95％；
所述导电剂的重量比含量是1％～20％；
所述粘结剂的重量比含量是2％～10％。
作为本发明的优选技术方案，所述导电剂包括乙炔黑、鳞片石墨或导电炭黑中的一种；
或者，由上述任意二种或二种以上的材料混合而成。
作为本发明的优选技术方案，所述粘结剂是聚偏氟乙烯。
作为本发明的优选技术方案，所述溶液是N-N-二甲基吡咯烷酮。
作为本发明的优选技术方案，所述正极活性物质的混合方法采用物理混合。
使用混合正极材料的动力电池，包括壳体、正极、负极、隔膜和电解液，所述正极材料即是以上任一项所述的混合正极材料；
所述负极材料包括人造石墨或天然石墨。
作为本发明的优选技术方案，所述正极、隔膜和负极依次叠放并采用叠片式结构或卷绕式结构构成卷芯。
作为本发明的优选技术方案，所述壳体是铝壳、钢壳或者聚合物包装膜。
本发明与传统磷酸铁锂动力电池相比，具备以下特性：
1、本发明电池工作电压范围2.75V～4.2V，与镍锰钴三元材料工作电压范围一致，明显优于磷酸铁锂电池工作电压范围；电池的放电电压平台可以达到3.5V，低于三元材料的3.7V，明显优于磷酸铁锂的3.3V。
2、良好的高温性能，本发明高温性能与磷酸铁锂电池一致，高温循环性能良好。
3、良好的低温性能，本发明低温性能优于磷酸铁锂电池，与镍锰钴三元材料一致，0℃放电容量达90％以上，-10℃放电容量达80％以上，-20℃放电容量达60％以上，明显优于磷酸铁锂电池。
4、优异的安全特性，本发明秉承了磷酸铁锂的安全特性，尤其是在耐过充方面，其性能与磷酸铁锂完全一致。
5、高能量密度，本发明磷酸铁锂的压实密度在2.0～2.4之间，而镍锰钴三元的压实密度可以达到3.4～3.8之间，如果按照50％∶50％的比例混合，二者混合之后的压实密度可以达到2.7～3.1之间。
具体实施方式
下面结合具体实施例和对比例对本发明作进一步说明：
动力电池的混合正极材料，包括正极活性物质、导电剂、粘结剂和溶液，所述正极活性物质采用磷酸铁锂和镍锰钴三元材料的混合材料，其中磷酸铁锂的重量比含量是5％～95％；所述导电剂的重量比含量是1％～20％；所述粘结剂的重量比含量是2％～10％。所述正极活性物质的混合方法采用物理混合。
本实施例中，所述导电剂包括乙炔黑、鳞片石墨或导电炭黑中的一种；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，溶液是N-N-二甲基吡咯烷酮。
使用混合正极材料的动力电池，包括壳体、正极、负极、隔膜和电解液，所述正极材料即是以上任一项所述的混合正极材料；所述负极材料包括人造石墨或天然石墨。将正极片、隔膜和负极片依次叠放并采用叠片式结构或卷绕式结构构成卷芯，将卷芯装入电池的壳体中，然后注液、封口、化成；所述壳体可以是铝壳、钢壳或者聚合物包装膜。本实施例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。
本发明电池的制作流程如下：
正负极配料——正负极涂布——正负极烘烤——正负极压光——正负极分切——正负极制片——正负极卷绕(叠片)——封装——烘烤——注液——化成——高温聚合——真空密封——容量分选——成品。
实施例
本实施例采用的电池型号为603450，容量为1000mAh，采用卷绕式结构。
正极采用磷酸铁锂和三元材料按照50％∶50％的比例混合，负极使用人造石墨，制作常规电池。
对比例1：正极采用磷酸铁锂，负极使用人造石墨，隔膜使用20μm单层聚乙烯隔膜，常规制作电池。
对比例2：正极采用磷酸铁锂，负极使用人造石墨，隔膜使用20μm单层聚乙烯隔膜，常规制作电池。
实施例与对比例的试验结果见下表：
Figure G2009102144995D00041

Claims (8)

1.一种动力电池的混合正极材料，包括正极活性物质、导电剂、粘结剂和溶液，其特征是：所述正极活性物质采用磷酸铁锂和镍锰钴三元材料的混合材料，其中磷酸铁锂的重量比含量是5％～95％；
所述导电剂的重量比含量是1％～20％；
所述粘结剂的重量比含量是2％～10％。
2.根据权利要求1所述的动力电池的混合正极材料，其特征是：所述导电剂包括乙炔黑、鳞片石墨或导电炭黑中的一种；
或者，由上述任意二种或二种以上的材料混合而成。
3.根据权利要求1所述的动力电池的混合正极材料，其特征是：所述粘结剂是聚偏氟乙烯。
4.根据权利要求1所述的动力电池的混合正极材料，其特征是：所述溶液是N-N-二甲基吡咯烷酮。
5.根据权利要求1所述的动力电池的混合正极材料，其特征是：所述正极活性物质的混合方法采用物理混合。
6.一种使用混合正极材料的动力电池，包括壳体、正极、负极、隔膜和电解液，其特征是：所述正极材料即是如权利要求1至4任一项所述的混合正极材料；
所述负极材料包括人造石墨或天然石墨。
7.根据权利要求6所述的使用混合正极材料的动力电池，其特征是：所述正极、隔膜和负极依次叠放并采用叠片式结构或卷绕式结构构成卷芯。
8.根据权利要求6所述的使用混合正极材料的动力电池，其特征是：所述壳体是铝壳、钢壳或者聚合物包装膜。
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