CN103825018A - 一种高性能富锰锂基正极浆料及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

一种高性能富锰锂基正极浆料由N-甲基吡咯烷酮、正极粘结剂、正极导电剂、富锂锰基材料、纳米Si02和纳米Al2O3中的一种或两种制成，所述的正极粘结剂、正极导电剂、富锂锰基材料、纳米Si02及纳米Al2O3的重量百分比为正极粘结剂2%-5%、正极导电剂1%-5%、富锂锰基材料90%-95%、纳米Si021%-5%、纳米Al2O31-5%，依据本发明制作的锂离子电池正极极片所制作的锂电池具有循环寿命高、结构稳定、安全性高等特点。

Description

一种高性能富锰锂基正极浆料及其应用方法
技术领本
本发明属于锂离子电池制造领域，特别是涉及一种高性能富锰锂基正极浆料及利用该浆料制作高性能锂电池的方法。
背景技术
锂离子电池由于具有比能量高、循环寿命长、安全性能好、对环境友好以及无记忆效应等优点受到高度青睐，在锂电家族中，锰酸锂和磷酸铁锂相对而言更受人们的选择和推崇，但这两种材料也存在很多缺点，如锰酸锂电池放电时晶胞体积膨胀，并在正极片表面部分区域容易发生过放，造成循环寿命短，特别是在高温下容量剧烈衰减，不太适合用于动力电池；磷酸铁锂材料低的电子传导率和低的锂离子迁移速率导致其电化学性能不理想，并且磷酸铁锂材料制备时批与批之间稳定性差，进而使用磷酸铁锂制备出的电池一致性很差，因而限制了其进一步实用化。
为了解决上述缺陷，现有技术中出现一种采用富锂锰基正极材料的锂离子电池，具有低电压范围内（2.75V-4.2V）循环性能长、高温性能好等优点，但富锂基锰材料同样存在很多不足，在高电压4.2V以上表现出循环寿命差、低温性能差、倍率放电差、安全性能差等缺陷。
发明内容
为解决上述缺陷，本发明通过通过对富锂锰基材料掺杂少量的SiO2和Al2O3，用以填充在富锂锰基材料大颗粒的空隙中间，并且对富锂锰材料进行原位包覆，另外由于SiO2和Al2O3材料颗粒小，比表面积大，对富锂锰材料具有较好的表面活化作用；此外，Si-O键、和Al-O键要比Li-Mn-O键的键能大，结构稳定，因此掺杂后可以提高富锂锰基材料的结构稳定性、大大提高了锂离子电池循环寿命、低温放电、倍率放电、安全等性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高性能富锰锂基正极浆料由N-甲基吡咯烷酮、正极粘结剂、正极导电剂、富锂锰基材料、纳米 Si02 和纳米Al2O3中的一种或两种制成，所述的正极粘结剂、正极导电剂、富锂锰基材料、纳米 Si02及纳米Al2O3的重量百分比为正极粘结剂2%-5% 、正极导电剂1%-5% 、富锂锰基材料90%-95%、纳米 Si021%-5% 、纳米Al2O31-5%。
进一步，所述的正极粘结剂至少包括以下成份中的一种或一种以上:聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯一六氟丙烯、聚四氟乙烯、丙烯酸、丁苯橡胶。
进一步，所述的正极导电剂至少包括以下一种或几种:导电石墨、乙炔黑、碳纳米管、纳米粉。
进一步，所述的富锂锰基材料，其化学通式为：
Li[Li(1-2x)/3Nix-aMyMn(2-x)/3-b]O2（(M＝Co、Al、Ti、Mg、Cu)，其中0＜x≤0.5，当M＝Co、Al时，0＜y＜2x，a＝b＝y/2；当M＝Ti时，0＜y＜(2-x)/3，a＝0，b＝y；当M＝Mg、Cu时，0＜y＜x，a＝y，b＝0）。
为了对上述材料的进一步应用做出说明，本发明对上述材料制作正极材料的方法进行阐述。
一种高性能富锰锂基正极浆料制作正极极片的方法，其特征在于包含以下步骤：
a按照正极粘结剂2%-5% 、正极导电剂1%-5% 、富锂锰基材料90%-95%、纳米 Si021%-5% 、纳米Al2O31-5%的重量百分比，分别配置正极粘结剂、正极导电剂、富锂锰基材料、纳米 Si02 或纳米Al203中的一种或两种，获得正极材料；
b将N-甲基吡咯烷酮放入真空搅拌机中，然后将前述正极材料置于真空搅拌机中，在自转和公转速度分别为 500-3000r/min 和 10-45r/min的条件下搅拌10-17小时获得正极浆料；
c将前述正极浆料以单面面密度为 18-25mg/cm2的密度涂覆在铝箔上；
d将前述涂覆有正极浆料的铝箔置于烘箱中，在90-150℃的条件下进行烘干；
e将前述烘干的铝箔进行琨压处理，最终辗压实密度为2.8-3.2g/cm3，制得高性能富锰锂基正极极片。
本发明的有益效果是：本发明通过通过对富锂锰基材料掺杂少量的SiO2和Al2O3，填充了富锂锰基材料大颗粒间的空隙，并且对富锂锰材料进行原位包覆，充分利用SiO2和Al2O3材料颗粒小，比表面积大，对富锂锰材料具有较好的表面活化作用的特点及Si-O键、和Al-O键要比Li-Mn-O键的键能大，结构稳定的特点，因此掺杂后大大提高富锂锰基材料的结构稳定性、大大提高了锂离子电池循环寿命、低温放电、倍率放电、安全等性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为利用本发明制作的锂电池的充放电曲线。
图2为用本发明制作的锂电池的循环曲线。
图3为用本发明制作的锂电池的低温放电曲线。
图4为用本发明制作的锂电池的倍率曲线。
具体实施方式
一种高性能富锰锂基正极浆料由N-甲基吡咯烷酮、正极粘结剂、正极导电剂、富锂锰基材料、纳米 Si02 和纳米Al2O3中的一种或两种制成，所述的正极粘结剂、正极导电剂、富锂锰基材料、纳米 Si02及纳米Al2O3的重量百分比为正极粘结剂2%-5% 、正极导电剂1%-5% 、富锂锰基材料90%-95%、纳米 Si021%-5% 、纳米Al2O31-5%，所述的正极粘结剂至少包括以下成份中的一种或一种以上:聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯一六氟丙烯、聚四氟乙烯、丙烯酸、丁苯橡胶所述的正极导电剂至少包括以下一种或几种:导电石墨、乙炔黑、碳纳米管、纳米粉所述的富锂锰基材料，其化学通式为：
Li[Li(1-2x)/3Nix-aMyMn(2-x)/3-b]O2（(M＝Co、Al、Ti、Mg、Cu)，其中0＜x≤0.5，当M＝Co、Al时，0＜y＜2x，a＝b＝y/2；当M＝Ti时，0＜y＜(2-x)/3，a＝0，b＝y；当M＝Mg、Cu时，0＜y＜x，a＝y，b＝0）。
一种高性能富锰锂基正极浆料制作正极极片的方法，其特征在于包含以下步骤：
a、按照正极粘结剂2%-5% 、正极导电剂1%-5% 、富锂锰基材料90%-95%、纳米 Si021%-5% 、纳米Al2O31-5%的重量百分比，分别配置正极粘结剂、正极导电剂、富锂锰基材料、纳米 Si02 或纳米Al203中的一种或两种，获得正极材料；
b、将N-甲基吡咯烷酮放入真空搅拌机中，然后将前述正极材料置于真空搅拌机中，在自转和公转速度分别为 500-3000r/min 和 10-45r/min的条件下搅拌10-17小时获得正极浆料；
c、将前述正极浆料以单面面密度为 18-25mg/cm2的密度涂覆在铝箔上；
d、将前述涂覆有正极浆料的铝箔置于烘箱中，在90-150℃的条件下进行烘干；
e、将前述烘干的铝箔进行琨压处理，最终辗压实密度为2.8-3.2g/cm3，制得高性能富锰锂基正极极片。
实施例1：先在真空搅拌机中加入一定量的N-甲基吡咯烷酮，然后聚偏二氟乙烯3%、导电石墨2%、纳米Al2O32%、和富锂锰基材料93%的重量比依次加入聚偏二氟乙烯、导电石墨、纳米Al2O3、和富锂锰基材料，搅拌的自转和公转速度分别为1800r/min 和35r/min，搅拌15h后制出正极浆料，再以单面面密度为20mg/cm2涂覆在铝箔表面，然后将前述铝箔置于烘箱中，在温度120℃的条件下烘干，再以压实密度为2.9g/cm3辊压制得所需的富锂锰基正极片，然后再依据正常工序进行制作负极极片、制作锂离子电池工序。
实施例2：先在真空搅拌机中加入一定量的N-甲基吡咯烷酮，然后按照聚偏二氟乙烯3%、导电石墨2% 、纳米 Si023% 、和富锂锰基材料92%的重量百分比，依次加入聚偏二氟乙烯、导电石墨、纳米 Si02、和富锂锰基材料，搅拌的自转和公转速度分别为1800r/min 和35r/min，搅拌15h后制出正极浆料，再以单面面密度为20mg/cm2涂覆在铝箔表面，然后将前述铝箔置于烘箱中，在温度120℃的条件下烘干，再以压实密度为2.9g/cm3辊压制得所需的富锂锰基正极片，然后再依据正常工序进行制作负极极片、制作锂离子电池工序。
实施例3：先在真空搅拌机中加入一定量的N-甲基吡咯烷酮，然后依次加入聚偏二氟乙烯3%、导电石墨2%、纳米 Si022%、Al2O33%、富锂锰基材料90%的重量百分比，依次加入聚偏二氟乙烯、导电石墨、纳米 Si02、Al2O3和富锂锰基材料，搅拌的自转和公转速度分别为1800r/min 和35r/min，搅拌15h后制出正极浆料，再以单面面密度为20mg/cm2涂覆在铝箔表面，然后将前述铝箔置于烘箱中，在温度120℃的条件下烘干，再以压实密度为2.9g/cm3辊压制得所需的富锂锰基正极片，然后再依据正常工序进行制作负极极片、制作锂离子电池工序。
如图1-4所示，依据本发明制作的锂离子电池具有结构稳定性、大大提高了锂离子电池循环寿命、低温放电、倍率放电、安全等性能。
显而易见，上述实施方式仅为本发明的较佳实施方式，任何在此基础上的简单改进均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高性能富锰锂基正极浆料由N-甲基吡咯烷酮、正极粘结剂、正极导电剂、富锂锰基材料、纳米 Si02 和纳米Al2O3中的一种或两种制成，其特征在于所述的正极粘结剂、正极导电剂、富锂锰基材料、纳米 Si02及纳米Al2O3的重量百分比为正极粘结剂2%-5% 、正极导电剂1%-5% 、富锂锰基材料90%-95%、纳米 Si021%-5% 、纳米Al2O31-5%。
2.根据权利要求1所述的一种高性能富锰锂基正极浆料，其特征在于所述的正极粘结剂至少包括以下成份中的一种或一种以上:聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯一六氟丙烯、聚四氟乙烯、丙烯酸、丁苯橡胶。
3.根据权利要求1所述的一种高性能富锰锂基正极浆料，其特征在于所述的正极导电剂至少包括以下一种或几种:导电石墨、乙炔黑、碳纳米管、纳米粉。
4.根据权利要求1所述的一种高性能富锰锂基正极浆料，其特征在于所述的富锂锰基材料，其化学通式为：
Li[Li(1-2x)/3Nix-aMyMn(2-x)/3-b]O2（(M＝Co、Al、Ti、Mg、Cu)，其中0＜x≤0.5，当M＝Co、Al时，0＜y＜2x，a＝b＝y/2；当M＝Ti时，0＜y＜(2-x)/3，a＝0，b＝y；当M＝Mg、Cu时，0＜y＜x，a＝y，b＝0）。
5.一种高性能富锰锂基正极浆料制作正极极片的方法，其特征在于包含以下步骤：
a按照正极粘结剂2%-5% 、正极导电剂1%-5% 、富锂锰基材料90%-95%、纳米 Si021%-5% 、纳米Al2O31-5%的重量百分比，分别配置正极粘结剂、正极导电剂、富锂锰基材料、纳米 Si02 或纳米Al203中的一种或两种，获得正极材料；
b将N-甲基吡咯烷酮放入真空搅拌机中，然后将前述正极材料置于真空搅拌机中，在自转和公转速度分别为 500-3000r/min 和 10-45r/min的条件下搅拌10-17小时获得正极浆料；
c将前述正极浆料以单面面密度为 18-25mg/cm2的密度涂覆在铝箔上；
d将前述涂覆有正极浆料的铝箔置于烘箱中，在90-150℃的条件下进行烘干；
e将前述烘干的铝箔进行琨压处理，最终辗压实密度为2.8-3.2g/cm3，制得高性能富锰锂基正极极片。
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