CN104900844A - 一种锂离子电池正极浆料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种锂离子电池正极浆料及其制备方法，包括正极活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂和分散剂，其特征是，还包括碳纳米管和碳纤维。本发明将碳纳米管和碳纤维按比例添加到锂离子电池正极极之中，利用碳纳米管和碳纤维具有强度高、导电性优良、导热性良好，以及其具有的纤维状结构特点，使其与正极活性物质、导电剂等各组份相互缠绕，起到加固正极材料、增加导电性的作用。从而提高电池容量、改善电池循环寿命。

Description

一种锂离子电池正极浆料及其制备方法
技术领域
本专利涉及一种锂离子电池正极浆料及其制备方法，具体为碳纳米管和碳纤维材料在锂离子电池正极中的应用。
背景技术
目前随着全球性石油资源紧缺与气候环境的不断恶化，人类社会发展面临着严峻的挑战。发展清洁节能的新能源汽车受到世界各国的高度重视。新能源汽车的发展，关键在其动力电源。锂离子电池具有能量密度大、自放电小、无记忆效应、工作电压范围宽、使用寿命长、无环境污染等优点，是目前新能源汽车主要的动力电源。而锂离子电池关键电极材料是电池性能的最终决定性因素，其中正极材料对锂离子电池性能的提高起着至关重要的作用。因此，开发高性能、廉价的正极材料对促进新能源汽车及相关新兴产业的发展具有重要的意义。
锂离子电池的正极材料一般为过度金属氧化物，如：LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、和LiNixCoyMn（1-x-y）O2等，以及过度金属的磷酸盐，如：LiMPO4；它们电导率低，一般是半导体或是绝缘体。理想的正极为离子和电子的混合导体，电子导电性和正极导电性好坏有关；离子传导性和正极的孔容有关，多孔结构可以提供电解液的存储场所，为电极快速反应提供缓冲离子源。导电剂在正极的作用主要是提高正极的导电性。
优异的导电剂需要具备以下几个特征：一、电导率较高，高电导率的材料能提高电子的迁移速率；二、粒径较小，小粒径的材料能填充锂离子电池正、正极材料的空隙，使材料之间的接触较好，易于锂离子的脱出、嵌入；三、高比表面积，比表面积大的材料能较好的与正、正极材料接触，同样易于电解液的保持，便于锂离子的脱嵌与电子迁移；四、易于分散，在正、正极材料配置浆料过程中易于打散和分散，能较好的与正、正极材料混合在一起；五、高稳定性，在锂离子电池充放电的过程中能稳定存在，不会发生体积变化而影响电池的循环性能。
目前市场上锂离子电池导电剂主要为Super-P与KS系列，此两类产品皆为国外进口，前者为纳米级的炭黑类产品，既有较小的粒径和较大的比表面积，又具有较好的导电性能，但是由于粒径较小及比表面积较大，不易分散，而后则为微米级的导电石墨，易于分散，但是导电性能较Super-P差。所以实际使用过程中，两者都是同时添加使用，互补不足。
碳纳米管与碳纤维具有强度高、导电性优良、导热性良好等特点，由于其具有纤长的纤维状结构，两者同时添加到正极中，可与正极材料各组份相互缠绕，起到加固正极材料、增加导电性的作用，两者协同配合，提高了电池的容量和循环性能。
发明内容
本专利的目的是提供一种锂离子电池正极浆料及其制备方法，以提高电池容量、改善电池循环寿命。
为实现上述目的，本专利采用的技术方案是：一种锂离子电池正极浆料，包括正极活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂和分散剂，其特征是，还包括碳纳米管和碳纤维，导电剂占总固体重量的0%-3%，分散剂加入量占总固体质量分数的0%-5%，碳纳米管占总固体量的1%-3%，碳纤维占总固体量重量的1%-5%，所述碳纤维中直粒径径D50介于10-200nm之间。
所述碳纤维为中空或实心结构。
所述碳纤维的中空结构为单层中空或多层中空。
所述正极活性物质为LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiNixCoyMn（1-x-y）O2和LiFePO4中的一种或多种混合物。
导电剂为Super-P、石墨导电剂、科琴黑中的一种。
所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮时，粘结剂为聚偏氟乙烯。
所述分散剂为乙二醇或丙三醇。
一种锂离子电池正极浆料的制备步骤：
（1）以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，将粘结剂聚偏氟乙烯用搅拌机溶解均匀；然后加入super-P，球磨分散1小时；加入正极活性物质，球磨分散2小时；
（2）加入分散剂，球磨分散10分钟后将碳纳米管和碳纤维加入混合液体中继续分散1小时；
（3）调节浆料粘度到至3000-4000mPa·s，出料。
本专利运用球磨方式配料，并配合使用分散剂，将碳纳米管和碳纤维按比例添加到锂离子电池正极之中，利用碳纳米管和碳纤维具有强度高、导电性优良、导热性良好，以及其具有的纤维状结构特点，使其与正极活性物质、导电剂等各组份相互缠绕，起到加固正极材料、增加导电性的作用。从而提高电池容量、改善电池循环寿命。
具体实施方式
以圆柱型18650锂离子电池为例，在正极配料时按本专利所提供的比例及配料方法添加碳纳米管和碳纤维，对比说明其对锂离子电池容量及循环性能改善。电池设计中，按钢壳填充率95%计算正负极片长度，实施例与比较例为正极配料方式及配比举例。
实施例1
以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，将占固体质量分数为1.5%的粘结剂聚偏氟乙烯用搅拌机溶解均匀。然后加入占固体质量分数1%的super-P，球磨分散1小时。
加入占固体质量分数92.5%的钴酸锂，球磨分散2小时。
加入占固体质量分数2%的分散剂乙二醇，球磨分散10分钟后将占固体质量分数3%的碳纳米管和占质量分数3%碳纤维加入混合液体中继续分散1小时。
调节浆料粘度到合理范围，出料。
比较例1
以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，将占固体质量分数为1.5%的粘结剂聚偏氟乙烯用搅拌机溶解均匀。然后加入占固体质量分数1%的super-P，球磨分散1小时。
加入占固体质量分数92.5%的钴酸锂，球磨分散2小时。
加入占固体质量分数2%的分散剂乙二醇，继续分散1小时。
调节浆料粘度到合理范围，出料。
实施例2
以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，将占固体质量分数为1.5%的粘结剂聚偏氟乙烯用搅拌机溶解均匀。然后加入占固体质量分数1%的super-P，球磨分散1小时。
加入占固体质量分数93%的锰酸锂，球磨分散2小时。
加入占固体质量分数1%的分散剂乙二醇，球磨分散10分钟后将占固体质量分数2%的碳纳米管和占质量分数2.5%碳纤维加入混合液体中继续分散1小时。
调节浆料粘度到合理范围，出料。
比较例2
以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，将占固体质量分数为1.5%的粘结剂聚偏氟乙烯用搅拌机溶解均匀。然后加入占固体质量分数1%的super-P，球磨分散1小时。
加入占固体质量分数93%的锰酸锂，球磨分散2小时。
加入占固体质量分数1%的分散剂乙二醇，球磨分散10分钟后将占固体质量分数2%的碳纳米管和占质量分数2.5%碳纤维加入混合液体中继续分散1小时。
调节浆料粘度到合理范围，出料。
实施例3
以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，将占固体质量分数为2%的粘结剂聚偏氟乙烯用搅拌机溶解均匀。然后加入占固体质量分数1%的super-P，球磨分散1小时。
加入占固体质量分数94%的磷酸铁锂，球磨分散2小时。
加入占固体质量分数1%的分散剂乙二醇，球磨分散10分钟后将占固体质量分数1.5%的碳纳米管和占质量分数1.5%碳纤维加入混合液体中继续分散1小时。
调节浆料粘度到合理范围，出料。
对比例3
以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，将占固体质量分数为2%的粘结剂聚偏氟乙烯用搅拌机溶解均匀。然后加入占固体质量分数1%的super-P，球磨分散1小时。
加入占固体质量分数94%的磷酸铁锂，球磨分散2小时。
加入占固体质量分数1%的分散剂乙二醇，球磨分散10分钟后将占固体质量分数1.5%的碳纳米管和占质量分数1.5%碳纤维加入混合液体中继续分散1小时。
调节浆料粘度到合理范围，出料。
由比较例和实施例方法制备的浆料制作锂离子电池正极片，并装配电池，其电池内阻、容量、首次效率和300周循环容量保持率的数据列于表1。
表1
对比实施例1和比较例1、实施例2和比较例2、实施例3和比较例3可发现，在正极中添加碳纳米管和碳纤维可有效降低电池的内阻、提高电池容量以及循环性能。原因在于碳纳米管和碳纤维具有的纤维状结构特点，使其与正极活性物质、导电剂等各组份相互缠绕，起到加固正极材料、增加导电性的作用，从而提高了电池容量、改善了电池的循环寿命。

Claims (7)

1.一种锂离子电池正极浆料及其制备方法，包括正极活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂和分散剂，其特征是，还包括碳纳米管和碳纤维，导电剂占总固体重量的0%-3%，分散剂加入量占总固体质量分数的0%-5%，碳纳米管占总固体量的1%-3%，碳纤维占总固体量重量的1%-5%，所述碳纤维中直粒径径D50介于10-200nm之间，其制备步骤如下：
（1）将粘结剂聚加入溶剂用搅拌机溶解均匀，然后加入导电剂，球磨分散1小时，再加入正极活性物质，球磨分散2小时；
（2）加入分散剂，球磨分散10分钟后将碳纳米管和碳纤维加入混合液体中继续分散1小时；
（3）调节浆料粘度到至3000-4000mPa·s，出料。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极浆料及其制备方法，其特征是，所述碳纤维为中空或实心结构。
3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池正极浆料及其制备方法，其特征是，所述碳纤维的中空结构为单层中空或多层中空。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极浆料及其制备方法，其特征是，所述正极活性物质为LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiNixCoyMn（1-x-y）O2和LiFePO4中的一种或多种混合物。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极浆料及其制备方法，其特征是，所述，导电剂为Super-P、石墨导电剂、科琴黑中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极浆料及其制备方法，其特征是，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮，粘结剂为聚偏氟乙烯。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极浆料及其制备方法，其特征是，所述分散剂为乙二醇或丙三醇。
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