CN104134815A - 一种混合正极材料及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合正极材料及应用，属于能源材料技术领域。采用锰酸锂和磷酸锰铁锂两种物质作为正极活性材料，一方面能利用磷酸锰铁锂材料良好的安全性能和循环性能，另一方面能利用锰酸锂材料的高能量密度和良好的加工性能，制备的电池与单一使用锰酸锂或磷酸锰铁锂的电池相比，具备以下特性：（1）高体积能量密度：混合正极材料的压实密度为2.6～2.8kg/m3，体积能量密度达300Wh/L以上；（2）良好的循环性能：特别是高温下循环性能；（3）优异的安全性能：弥补了传统锰酸锂安全性差的缺点；（4）良好的加工性能：混合正极材料能有效改善磷酸锰铁锂材料因比表面积大所造成的极片附着力低、加工困难等问题，极大的简化生产工艺。

Description

一种混合正极材料及应用
技术领域
本发明具体涉及一种混合正极材料，同时还涉及该混合正极材料在制备锂离子动力电池方面的应用，属于能源材料技术领域。
背景技术
尖晶石型锰酸锂材料（LiMn2O4）因具有放电平台高、低温性能好、锰资源丰富、价格低廉及无毒性等优点，受到人们的广泛关注。但该材料在充放电过程中易发生结构畸变和锰溶解，造成电池容量的迅速衰减，特别是在高温条件下，容量衰减更加突出，且安全性能有待进一步提高。以上问题是制约锰酸锂电池产业发展的难点，也是至今没有大范围应用锰酸锂材料的主要原因之一。
中国专利（公布号：CN101794902A）公开了一种利用混合正极材料制备的新型动力电池，采用锰酸锂和磷酸铁锂两种正极活性物质，制备的电池具有高电压、高体积能量密度和高安全性。然而，LiFePO4电池工作电压为3.2V，与锰酸锂电池工作电压3.7V相差较大，两者混合后，一方面，LiFePO4的存在会降低电池的工作电压，从而造成电池整体能量密度的下降；另一方面，LiFePO4在较高的充电终止电压下，容量衰减迅速，进而造成该混合正极电池循环寿命降低。因此，急需一种能量密度高，循环性能、安全性能和加工性能优异的大容量动力电池。
发明内容
本发明的目的是提供一种混合正极材料。
同时，本发明还提供一种混合正极材料在制备锂离子动力电池方面的应用。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种混合正极材料，正极活性物质由锰酸锂和磷酸锰铁锂组成，锰酸锂与磷酸锰铁锂的质量比为（1～9）：（9～1）。
优选的，锰酸锂与磷酸锰铁锂的质量比为1：1。
所述的磷酸锰铁锂为斜方晶的橄榄石型晶体结构，化学式为LiMnzFe1-zPO4，其中0.5≤z≤0.8。
优选的，磷酸锰铁锂的D50为8μm，比表面积为25m2/g。
一种混合正极材料，由以下质量百分比的组分组成：正极活性物质80～96%，粘结剂2～10%，导电剂2～10%。
所述的粘结剂为分子量为50～100万的聚偏氟乙烯。
所述的导电剂为导电炭黑、导电石墨、碳纤维中一种或者两种的任意混合。
一种混合正极材料在制备锂离子电池方面的应用。
所述锂离子动力电池的负极材料为人造石墨、天然石墨或二者的任意混合。
本发明的有益效果：
本发明采用锰酸锂和磷酸锰铁锂两种物质作为正极活性材料，一方面能利用磷酸锰铁锂材料良好的安全性能和循环性能，另一方面能利用锰酸锂材料的高能量密度和良好的加工性能。其中，磷酸锰铁锂为含有铁原子、锂原子和锰原子的磷酸盐化合物。其中，锰原子和铁原子相互固溶，具有相当优异的安全性能。磷酸锰铁锂中Mn3+/Mn2+电对在4.0V（vsLi+/Li）附近能实现锂离子的嵌脱，获得4.0V平台的容量，从而提高电池的能量密度。磷酸锰铁锂在0.1C放电时，能达到150mAh/g以上比容量，且工作电压为2.75～4.2V，与锰酸锂电池一致。
本发明制备的电池与单一使用锰酸锂或磷酸锰铁锂的电池相比，具备以下特性：
（1）高体积能量密度：磷酸锰铁锂的压实密度在2.0～2.1kg/m3之间，锰酸锂的压实密度在2.9～3.2kg/m3之间，两者1：1混合后压实密度在2.6～2.8kg/m3之间，体积能量密度达300Wh/L以上；
（2）良好的循环性能：本发明动力电池秉承了磷酸锰铁锂电池优异的循环性能，特别是高温下循环性能，弥补了传统商品化锰酸锂电池循环性能差的不足；
（3）优异的安全性能：本发明动力电池秉承了磷酸锰铁锂电池优异的安全性能，弥补了传统商品化锰酸锂安全性差的缺点；
（4）良好的加工性能：磷酸锰铁锂材料比表面积较大（25-30m2/g），采用常规铝箔与涂布工艺时，磷酸锰铁锂材料与铝箔粘结力低，极片掉料严重，无法使用。本发明混合正极材料能有效改善磷酸锰铁锂材料附着力低、加工困难等问题，极大的简化生产工艺。
具体实施方式
下述实施例仅对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
实施例1
本实施例中的正极活性物质采用质量比为1:1的锰酸锂和磷酸锰铁锂，其中磷酸锰铁锂的D50为8μm，比表面积为25m2/g。
本实施例中的正极材料由以下质量百分比的组分组成：上述正极活性物质93.5%，分子量为50～100万的聚偏氟乙烯3.5%，导电炭黑3%。合浆过程中采用的溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
本实施例中的电池负极为人造石墨，隔膜为36μm的双层PP隔膜，制备方法包括如下步骤：
（1）正极制备：先将正极活性物质、导电炭黑置于螺条式混合机内进行物理干混；再将PVDF加入N-甲基吡咯烷酮溶剂中，在打胶机中搅拌均匀，配成浓度为10%的粘结剂；而后将经物理干混后的正极材料加入到粘结剂中，在真空合浆机中搅拌成均匀的正极浆料；最后将正极浆料均匀涂覆在铝箔上，120℃烘干后经辊压、分切得正极片；
（2）负极制备：先将人造石墨、粘合剂、导电炭黑加入水溶剂中，在真空合浆机中搅拌成均匀的负极浆料；再将负极浆料均匀涂覆在铜箔上，95℃烘干后经辊压、分切得负极片；
（3）电池制备：先将干燥后的正、负极片与双层PP隔膜依次进行“Z”字形叠片，叠片后电芯尺寸为131mm×194mm×37mm；再将该电芯装入壳体尺寸为135mm×215mm×40mm的金属壳内，在手套箱中注入电解液（手套箱内露点≤-55℃），经封口、化成、定容后得成品电池。
实施例2
本实施例中除正极活性物质采用质量比为2:8的锰酸锂和磷酸锰铁锂外，其他内容同实施例1。
实施例3
本实施例中除正极活性物质采用质量比为8:2的锰酸锂和磷酸锰铁锂外，其他内容同实施例1。
实施例4
本实施例中的正极活性物质采用质量比为1:9的锰酸锂和磷酸锰铁锂，正极材料由以下质量百分比的组分组成：上述正极活性物质80%，分子量为50～100万的聚偏氟乙烯10%，导电炭黑10%，溶剂为N-甲基吡咯烷酮。其他内容同实施例1。
实施例5
本实施例中除正极活性物质采用质量比为9:1的锰酸锂和磷酸锰铁锂外，正极材料由以下质量百分比的组分组成：上述正极活性物质96%，分子量为50～100万的聚偏氟乙烯2%，导电炭黑2%，溶剂为N-甲基吡咯烷酮。其他内容同实施例1。
对比例1
本对比例中除正极活性物质采用锰酸锂外，其他内容同实施例1。
试验例
取实施例1～3及对比例制备的电池进行性能测试，测试方法如下表1所示，测试结果详见下表2。
表1电池性能的测试方法和测试条件
表2实施例1～3及对比例制备电池的性能测试结果

Claims (9)

1.一种混合正极材料，其特征在于：正极活性物质由锰酸锂和磷酸锰铁锂组成，锰酸锂与磷酸锰铁锂的质量比为（1～9）：（9～1）。
2.根据权利要求1所述的混合正极材料，其特征在于：锰酸锂与磷酸锰铁锂的质量比为1：1。
3.根据权利要求1所述的混合正极材料，其特征在于：所述的磷酸锰铁锂为斜方晶的橄榄石型晶体结构，化学式为LiMnzFe1-zPO4，其中0.5≤z≤0.8。
4.根据权利要求1所述的混合正极材料，其特征在于：磷酸锰铁锂的D50为8μm，比表面积为25m2/g。
5.根据权利要求1所述的混合正极材料，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：正极活性物质80～96%，粘结剂2～10%，导电剂2～10%。
6.根据权利要求5所述的混合正极材料，其特征在于：所述的粘结剂为分子量为50～100万的聚偏氟乙烯。
7.根据权利要求5所述的混合正极材料，其特征在于：所述的导电剂为导电炭黑、导电石墨、碳纤维中一种或者两种的任意混合。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的混合正极材料在制备锂离子动力电池方面的应用。
9.根据权利要求8所述的混合正极材料在制备锂离子动力电池方面的应用，其特征在于：锂离子动力电池的负极材料为人造石墨、天然石墨或二者的任意混合。
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