CN105161684A - 一种锂电池正极浆料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锂电池正极浆料及其制备方法，所述正极浆料为正极材料与有机溶剂的混合物，所述正极材料主要包含以正极材料的总质量为100％计质量百分比如下的组分：正极活性物质30-50％，粘结剂31-40％，导电剂12-15％，导电增强剂6-10％，分散剂1-5％。用本发明的锂电池正极浆料制备得到的锂电池具有高达165Wh/kg的能量密度，而且容量保持率在96％以上，高温性能良好。并且本发明制备方法简单，操作方便，可实现规模化生产。
Description
技术领域
本发明属于锂电池生产技术领域，尤其是涉及一种锂电池正极浆料及其制备方法。
背景技术
随着锂电池的广泛应用和快速发展，人们对锂离子电池的性能要求也越来越高，不仅要求锂电池具有较高的容量，而且要求在反复的充放电过程中具有较好的容量保持率，表现出良好的循环性能，具有较长的使用寿命。
正极是锂电池最重要的组成部分，决定了电池的核心电化学性能，因此合理的正极浆料配方及其制备方法是锂电池性能能否发挥的首要条件。现在锂电池的制造过程中通常在正极浆料中加入含量较高的炭黑、导电石墨等导电剂来提高正极活性物质之间及正极活性物质与集流体之间的导电特性，但是导电石墨和炭黑类导电性能较低，且加入较多的炭黑、导电石墨等导电剂会相应减少正极活性物质的含量，从而减小电池的容量。
碳纳米管具有耐高温、热膨胀系数小、抵抗热变性能强等特点，且导电性能与充放电容量远高于炭黑和导电石墨，若在正极浆料中加入碳纳米管，在减少传统导电剂及粘结剂用量的同时还可改善电池正极的导电性，有效降低电池内阻，提高容量发挥与电池能量密度，另外还能著提高电池高功率充放电性能，降低高倍率放电时电池温升，延长锂电池的使用寿命。
但是，目前正极浆料的制备通常是将正极活性物质、粘结剂、导电剂或其他各种添加剂直接与溶剂混合后搅拌均匀。
例如，CN1505185A公开了一种锂离子二次电池的电极用粘合浆料的制造方法，对于正极用的粘合浆料，成分中包括水溶性聚合物、电活性物质、导电炭黑及作为溶剂的水；所说的水溶性聚合物是一种有机硅胶交联添加剂+改性聚氧化乙烯，电活性物质是一种含锂过渡金属氧化物；对于负极用的粘合浆料，成分中包括水溶性聚合物、石墨及作为溶剂的水；在制作过程中按照各组分规定配比，采用分步混合、控时搅拌及筛选等步骤精制而成。其不足是，该浆料使用导电碳黑作为导电剂，导电性较差，需要较高含量的导电碳黑，影响电池的电容量，且该方法将电极活性物质、导电炭黑直接加入粘结剂溶液中搅拌混合，由于溶液黏度大，比表面较大且表面能较高的物质，如导电剂等，在搅拌混合过程中不能均匀稳定地分散在电极浆料中，使得使用该电极浆料制备的电池具有容量发挥差、容量衰减速度快及循环性能差的缺点。
因此，本领域需要开发一种能够使各成分均匀混合，从而取得具有优良性能的长寿命锂电池正极浆料。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锂电池正极浆料及其制备方法。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种锂电池正极浆料，所述正极浆料为正极材料与有机溶剂的混合物，所述正极材料主要包含以正极材料的总质量为100％计质量百分比如下的组分：
在本发明所述的锂电池正极浆料中，所述的正极活性物质为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍酸锂、层状锰酸锂、磷酸锰锂或镍钴锰酸锂中的任意一种；以正极材料的总质量为100％计，所述正极活性物质的质量百分比为30-50％，例如30％、32％、34％、36％、38％、40％、42％、44％、46％、48％或50％。
优选地，所述粘结剂为聚偏氟乙烯和/或聚四氟乙烯；以正极材料的总质量为100％计，所述粘结剂的质量百分比为31-40％，例如31％、32％、33％、34％、35％、35.5％、36％、36.5％、37％、37.5％、38％、38.5％、39％、39.5％或40％。
优选地，所述的导电剂为炭黑和/或石墨；以正极材料的总质量为100％计，所述导电剂的质量百分比为12-15％，例如12％、12.3％、12.5％、12.8％、13％、13.5％、13.8％、14％、14.3％、14.5％、14.7％或15％。
优选地，所述的导电增强剂为碳纳米管；以正极材料的总质量为100％计，所述导电增强剂的质量百分比为6-10％，例如6％、6.2％、6.4％、6.6％、6.8％、7％、7.2％、7.4％、7.6％、7.8％、8％、8.5％、9％、9.5％或10％。
优选地，所述的分散剂为聚乙烯吡咯烷酮；以正极材料的总质量为100％计，所述分散剂的质量百分比为1-5％，例如1％、1.2％、1.4％、1.6％、1.8％、2％、2.2％、2.4％、2.6％、2.8％、3％、3.3％、3.5％、3.7％、4％、4.3％、4.5％、4.7％或5％。
优选地，所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
在本发明所述的锂电池正极浆料中，所述的锂电池正极浆料在常温常压下的粘度为5000-15000cps，例如5000cps、6000cps、7000cps、8000cps、9000cps、10000cps、11000cps、12000cps、13000cps、14000cps或15000cps。
另一方面，本发明提供了所述锂电池正极浆料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将分散剂、导电增强剂依次加入第一部分有机溶剂中得到第一浆料，搅拌至第一浆料的细度为100nm-10μm，例如100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm。第一浆料的细度控制在100nm-10μm，以保证导电增强剂的均匀分散，同时保证涂布时浆料在集流体表面的平整性，本发明中细度可通过常规的测试方法获得，例如使用刮板细度计等。
(2)接着加入粘结剂，搅拌至粘结剂溶解。导电增强剂加入有机溶剂中后，在配料及涂布过程中会吸附有大量粘结剂，为保证粘结剂均匀吸附在导电增强剂上，需先保证导电增强剂均匀分散，先加入分散剂及导电增强剂，同时控制第一浆料的细度，在导电增强剂均匀分散后再加入粘结剂，使导电增强剂能均匀吸附粘结剂，增强正极活性物质颗粒之间、正极活性物质与正集流体之间的粘结性。
(3)向步骤(2)的得到的浆料中加入导电剂与第二部分有机溶剂得到第二浆料，搅拌至第二浆料的细度为100nm-10μm，例如100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm。由于加入粘结剂与导电剂后会提高第一浆料的粘度，不易于搅拌，因此需加入第二部分有机溶剂以调节和控制第一浆料的粘度，同样通过细度来保证导电剂与导电增强剂在有机溶剂中的均匀分散。
(4)向步骤(3)得到的第二浆料中加入正极活性物质得到粗浆料，搅拌至粗浆料的细度为5μm-10μm，例如5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm。电增强剂吸附粘结剂后会包裹到正极活性物质的表面，因此最后加入正极活性物质物质，同样通过细度来保证导电剂、导电增强剂及正极活性物质在溶剂中的均匀分散。
(5)对粗浆料进行粘度测试，若粘度为5000-15000cps(例如5000cps、6000cps、7000cps、8000cps、9000cps、10000cps、11000cps、12000cps、13000cps、14000cps或15000cps)，则抽真空，得到锂电池正极浆料；若粘度大于15000cps，则加入有机溶剂稀释，搅拌至粗浆料的粘度为5000-15000cps，最后抽真空，得到锂电池正极浆料。
在本发明所述锂电池正极浆料的制备方法中，步骤(1)所述第一部分有机溶剂的质量为正极材料总质量的5-25％，例如5％、6％、8％、10％、12％、14％、16％、18％、20％、21％、22％、23％、24％或25％。
在本发明所述锂电池正极浆料的制备方法中，步骤(3)所述第二部分有机溶剂的加入量为正极材料总质量的40-60％，例如40％、42％、44％、46％、48％、50％、52％、54％、56％、58％或60％。
在本发明所述锂电池正极浆料的制备方法中，步骤(1)、步骤(3)及步骤(4)中所述的搅拌过程为每搅拌10-20min(例如10min、11min、12min、13min、14min、15min、16min、17min、18min、19min或20min)测一次细度。
在本发明所述锂电池正极浆料的制备方法中，步骤(5)所述抽真空的时间均为15-30min，例如15min、16min、17min、18min、19min、20min、22min、24min、25min、26min、28min、29min或30min。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明通过将正极浆料中的正极材料的各组分限定在如下质量百分比：正极活性物质30-50％，粘结剂31-40％，导电剂12-15％，导电增强剂6-10％，分散剂1-5％，成功制成锂电池正极浆料。用本发明的锂电池正极浆料制备得到的锂电池具有高达165Wh/kg的能量密度，而且容量保持率在96％以上，高温性能良好。并且本发明制备方法简单，操作方便，可实现规模化生产。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
在本实施例中，锂电池正极浆料为正极材料与有机溶剂N-甲基吡咯烷酮的混合物，所述正极材料包含以正极材料的总质量为100％计质量百分比如下的组分：
其中聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯的重量比为1:1，即在正极材料中其各占20％。
以上所述锂电池正极浆料通过以下制备方法进行制备，具体包括以下步骤：
(1)将聚乙烯吡咯烷酮、碳纳米管依次加入第一部分有机溶剂N-甲基吡咯烷酮中得到第一浆料，搅拌，每10min测定一次细度，直至第一浆料的细度为100nm；所述第一部分有机溶剂N-甲基吡咯烷酮的质量为正极材料总质量的25％。
(2)接着加入聚偏氟乙烯，搅拌至聚偏氟乙烯溶解；
(3)向步骤(2)的得到的浆料中加入炭黑与第二部分有机溶剂N-甲基吡咯烷酮得到第二浆料，搅拌，每10min测定一次细度，直至第一浆料的细度为100nm；所述第二部分有机溶剂N-甲基吡咯烷酮的加入量为正极材料总质量的40％。
(4)向步骤(3)得到的第二浆料中加入钴酸锂得到粗浆料，搅拌，每10min测定一次细度，直至粗浆料的细度为5μm；
(5)对粗浆料进行粘度测试，粘度为17000cps，加入有机溶剂N-甲基吡咯烷酮稀释，搅拌，最终测得浆料的粘度为13000cps，抽真空15分钟，得到锂电池正极浆料。
实施例2
在本实施例中，锂电池正极浆料为正极材料与有机溶剂N-甲基吡咯烷酮的混合物，所述正极材料包含以正极材料的总质量为100％计质量百分比如下的组分：
以上所述锂电池正极浆料通过以下制备方法进行制备，具体包括以下步骤：
(1)将聚乙烯吡咯烷酮、碳纳米管依次加入第一部分有机溶剂N-甲基吡咯烷酮中得到第一浆料，搅拌，每10min测定一次细度，直至第一浆料的细度为500nm；所述第一部分有机溶剂N-甲基吡咯烷酮的质量为正极材料总质量的5％。
(2)接着加入聚偏氟乙烯，搅拌至聚偏氟乙烯溶解；
(3)向步骤(2)的得到的浆料中加入石墨与第二部分有机溶剂N-甲基吡咯烷酮得到第二浆料，搅拌，每10min测定一次细度，直至第一浆料的细度为500nm；所述第二部分有机溶剂N-甲基吡咯烷酮的加入量为正极材料总质量的60％。
(4)向步骤(3)得到的第二浆料中加入磷酸铁锂得到粗浆料，搅拌，每10min测定一次细度，直至粗浆料的细度为10μm；
(5)对粗浆料进行粘度测试，测得浆料的粘度为10000cps，抽真空20分钟，得到锂电池正极浆料。
实施例3
在本实施例中，锂电池正极浆料为正极材料与有机溶剂N-甲基吡咯烷酮的混合物，所述正极材料包含以正极材料的总质量为100％计质量百分比如下的组分：
以上所述锂电池正极浆料通过以下制备方法进行制备，具体包括以下步骤：
(1)将聚乙烯吡咯烷酮、碳纳米管依次加入第一部分有机溶剂N-甲基吡咯烷酮中得到第一浆料，搅拌，每15min测定一次细度，直至第一浆料的细度为10μm；所述第一部分有机溶剂N-甲基吡咯烷酮的质量为正极材料总质量的20％。
(2)接着加入聚四氟乙烯，搅拌至聚四氟乙烯溶解；
(3)向步骤(2)的得到的浆料中加入石墨与第二部分有机溶剂N-甲基吡咯烷酮得到第二浆料，搅拌，每15min测定一次细度，直至第一浆料的细度为10μm；所述第二部分有机溶剂N-甲基吡咯烷酮的加入量为正极材料总质量的50％。
(4)向步骤(3)得到的第二浆料中加入镍钴锰酸锂得到粗浆料，搅拌，每15min测定一次细度，直至粗浆料的细度为10μm；
(5)对粗浆料进行粘度测试，测得浆料的粘度为5000cps，抽真空30分钟，得到锂电池正极浆料。
实施例4
在本实施例中，锂电池正极浆料为正极材料与有机溶剂N-甲基吡咯烷酮的混合物，所述正极材料包含以正极材料的总质量为100％计质量百分比如下的组分：
以上所述锂电池正极浆料通过以下制备方法进行制备，具体包括以下步骤：
(1)将聚乙烯吡咯烷酮、碳纳米管依次加入第一部分有机溶剂N-甲基吡咯烷酮中得到第一浆料，搅拌，每20min测定一次细度，直至第一浆料的细度为10μm；所述第一部分有机溶剂N-甲基吡咯烷酮的质量为正极材料总质量的10％。
(2)接着加入聚四氟乙烯，搅拌至聚四氟乙烯溶解；
(3)向步骤(2)的得到的浆料中加入炭黑与第二部分有机溶剂N-甲基吡咯烷酮得到第二浆料，搅拌，每20min测定一次细度，直至第一浆料的细度为10μm；所述第二部分有机溶剂N-甲基吡咯烷酮的加入量为正极材料总质量的40％。
(4)向步骤(3)得到的第二浆料中加入镍酸锂得到粗浆料，搅拌，每15min测定一次细度，直至粗浆料的细度为10μm；
(5)对粗浆料进行粘度测试，测得浆料的粘度为15000cps，抽真空30分钟，得到锂电池正极浆料。
对比例1
该对比例与实施例1的区别仅在于锂电池正极浆料的正极材料包含以正极材料的总质量为100％计质量百分比如下的组分：
其余成分的用量以及锂电池正极浆料的制备方法和条件均与实施例1相同。
对比例2
该对比例与实施例2的区别仅在于锂电池正极浆料的正极材料包含以正极材料的总质量为100％计质量百分比如下的组分：
其余成分的用量以及锂电池正极浆料的制备方法和条件均与实施例2相同。
对比例3
该对比例与实施例3的区别仅在于锂电池正极浆料的正极材料包含以正极材料的总质量为100％计质量百分比如下的组分：
其余成分的用量以及锂电池正极浆料的制备方法和条件均与实施例3相同。
对比例4
该对比例与实施例4的区别仅在于锂电池正极浆料的正极材料包含以正极材料的总质量为100％计质量百分比如下的组分：
其余成分的用量以及锂电池正极浆料的制备方法和条件均与实施例4相同。
对比例5
在该对比例中，锂电池正极浆料的正极材料包含以正极材料的总质量为100％计质量百分比如下的组分：
其中聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯的重量比为1:1，即在正极材料中其各占15％。
其余成分的用量以及锂电池正极浆料的制备方法和条件均与实施例1相同。
将实施例1-4以及对比例1-5制成的锂电池正极浆料按照常规的锂电池正极生产工艺，经涂布、干燥、轧膜、分切制成正极片，然后与负极片、隔膜、电解液、电池外壳进行组装成，经充放电活化后制得10Ah电池。测试制得的电池的能量密度及高温寿命(60℃)，测试结果如表1所示。
从表1可以看出，由本发明制备的正极浆料使得其得到的锂电池具有高达165Wh/kg的能量密度，而且容量保持率在96％以上，高温性能良好。而将正极浆料中某些组分的质量百分比限定在本发明范围之外时，得到的电池的性能明显低于本发明制备的电池的性能。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的锂电池正极浆料及其制备方法，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (8)
1.一种锂电池正极浆料，其特征在于，所述正极浆料为正极材料与有机溶剂的混合物，所述正极材料主要包含以正极材料的总质量为100％计质量百分比如下的组分：
2.根据权利要求1所述的锂电池正极浆料，其特征在于，所述的正极活性物质为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍酸锂、层状锰酸锂、磷酸锰锂或镍钴锰酸锂中的任意一种；
优选地，所述粘结剂为聚偏氟乙烯和/或聚四氟乙烯；
优选地，所述的导电剂为炭黑和/或石墨；
优选地，所述的导电增强剂为碳纳米管；
优选地，所述的分散剂为聚乙烯吡咯烷酮；
优选地，所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
3.根据权利要求1或2所述的锂电池正极浆料，其特征在于，所述的锂电池正极浆料在常温常压下的粘度为5000-15000cps。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的锂电池正极浆料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将分散剂、导电增强剂依次加入第一部分有机溶剂中得到第一浆料，搅拌至第一浆料的细度为100nm-10μm；
(2)接着加入粘结剂，搅拌至粘结剂溶解；
(3)向步骤(2)的得到的浆料中加入导电剂与第二部分有机溶剂得到第二浆料，搅拌至第二浆料的细度为100nm-10μm；
(4)向步骤(3)得到的第二浆料中加入正极活性物质得到粗浆料，搅拌至粗浆料的细度为5μm-10μm；
(5)对粗浆料进行粘度测试，若粘度为5000-15000cps，则抽真空，得到锂电池正极浆料；若粘度大于15000cps，则加入有机溶剂稀释，搅拌至粗浆料的粘度为5000-15000cps，最后抽真空，得到锂电池正极浆料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述第一部分有机溶剂的质量为正极材料总质量的5-25％。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述第二部分有机溶剂的加入量为正极材料总质量的40-60％。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的锂电池正极浆料的制备方法，其特征在于，步骤(1)、步骤(3)及步骤(4)中所述的搅拌过程为每搅拌10-20min测一次细度。
8.根据权利要求4-6中任一项所述的锂电池正极浆料的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述抽真空的时间均为15-30min。
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