CN105514388A - 一种锂离子正极材料及混料方法 - Google Patents

一种锂离子正极材料及混料方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子正极材料，该锂离子正极材料的导电剂为导电炭黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管构成的混合物，该锂离子正极材料具有高功率密度，采用该锂离子正极材料可提高锂离子电池的电池比能量和结构稳定性；本发明还公开了一种锂离子正极材料混料方法，可防止混料团聚，提高了成品质量，缩短了混料时间，降低了混料过程的吸水量，提高了涂布效果。

Description

一种锂离子正极材料及混料方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种锂离子正极材料及混料方法。
背景技术
在石油资源日渐短缺、环境污染日益严重的今天，能源、资源、环境与人类社会的和谐发展日益成为社会关注的焦点，探索传统石化能源的替代能源、实现无害资源产业发展、谋求人与环境的和谐显得尤为迫切。在现代社会，人们对高功率密度电池的需求愈来愈强烈，特别是对于电动交通工具的动力电池需求越来越大，现有的动力电池中，铅酸动力电池、镍氢电池、镍镉电池对环境污染大，而锂离子电池因为其低污染的特性而得到广泛应用。
目前，锂离子电池正极材料有钴酸锂和磷酸铁锂两种，其中钴酸锂的高温安全性和耐过充性能差，仅能作为小功率密度电池的正极材料，而不能作为高功率密度电池；磷酸铁锂具有比能量高、循环寿命长、结构稳定、安全性能好、成本低廉、环保性能好等优点，是最具潜力的正极材料，但是现有磷酸铁锂正极材料的功率密度仍不能满足需求。
另外，现有磷酸铁锂正极材料的混料方法为：先将粘结剂和N-甲基吡咯烷酮混合搅拌，再加入导电剂搅拌，最后加入磷酸铁锂搅拌。由于磷酸铁锂的粒径小，这种混料方式会导致混料时分散性不好，粘度高，易团聚，加工时间长，材料在制备浆料过程中容易吸水，造成涂布困难。
所以，急需提供一种新的磷酸铁锂材料作为锂离子正极材料，使其具有高功率密度，同时，还需优化磷酸铁锂正极材料的混料方法，以防止混料团聚，避免其涂布困难。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在提供一种具有高功率密度的磷酸铁锂正极材料，还提供一种优化的混料方法，以防止混料团聚，提高成品质量，保证其涂布效果。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案
一种锂离子正极材料，由以下质量配比的各组分组成：
磷酸铁锂：91.0％-94.2％；
导电剂：2.8％-5.5％；
粘结剂：2％-2.5％；
余量为N-甲基吡咯烷酮；
其中，导电剂为导电炭黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管构成的混合物。
进一步，导电剂中导电炭黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管在正极材料中的质量配比为：
导电炭黑：1％-2％；
导电石墨：1％-2％；
石墨烯：0.3％-0.5％；
碳纳米管：0.5％-1％。
一种锂离子正极材料的混料方法，包括以下步骤：
S1:将N-甲基吡咯烷酮与聚偏氟乙烯混合搅拌4小时，得到混合物A；
S2:将导电剂与磷酸铁锂在混料机中干粉混合均匀，得到混合物B；
S3:将混合物B的1/2加入混合物A，并搅拌1小时，得到混合物C；
S4:将混合物B的1/4加入混合物C，并搅拌1小时，得到混合物D；
S5:将混合物B的1/4加入混合物D，并搅拌5小时，得到锂离子正极材料。
进一步，步骤S1中，搅拌角速度为25-30rpm，搅拌线速度为10-12m/s；步骤S2中，搅拌角速度为20-25rpm，搅拌线速度为5-8m/s；步骤S3和步骤S4中，搅拌角速度为25-30rpm，搅拌线速度为12-15m/s；步骤S5中，搅拌角速度为28-30rpm，搅拌线速度为20-22m/s。
进一步，步骤S1、S2、S3、S4、S5的搅拌过程中的真空度均小于0.085Mpa。
进一步，步骤S1、S2、S3、S4、S5的搅拌过程中的搅拌温度为0-60℃。
更进一步，步骤S1、S2、S3、S4、S5的搅拌过程中的搅拌温度为45℃。
本发明的有益效果在于：
本发明的锂离子正极材料具有高功率密度的特点，导电剂采用导电炭黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管构成的混合物，将原有锂电池140～160wh/kg的电池比能量提高到160-200wh/kg；当导电剂采用本发明的质量配比时，可使得锂电池的电池比能量保持在175-200wh/kg范围内，且本发明的锂离子正极材料结构较现有锂离子正极材料更稳定。
另外，本发明的锂离子正极材料混料方法，可防止混料团聚，提高了成品质量，缩短了混料时间，降低了混料过程的吸水量，提高了涂布效果。
具体实施方式
下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1
本发明的一种锂离子正极材料，由以下质量配比的各组分组成：磷酸铁锂94.2％，粘结剂2.5％，导电剂2.8％，N-甲基吡咯烷酮0.5％，其中，导电剂为导电炭黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管构成的混合物。
具体的，本实施例中，导电剂中导电炭黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管在正极材料中的质量配比为：导电炭黑1％，导电石墨1％，石墨烯0.3％，碳纳米管0.5％。
本发明的一种锂离子正极材料，采用导电炭黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管构成的混合物作为导电剂，提高了锂电池的电池能比；而导电炭黑：1％-2％、导电石墨：1％-2％、石墨烯0.3％-0.5％、碳纳米管0.5％-1％的质量配比进一步提高了电池能比，也使得该锂电池正极材料的结构更为稳定。
实施例二
本发明的一种锂离子正极材料，由以下质量配比的各组分组成：磷酸铁锂91％，粘结剂2％，导电剂5.5％，N-甲基吡咯烷酮1.5％，其中，导电剂为导电炭黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管构成的混合物。
具体的，本实施例中，导电剂中导电炭黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管在正极材料中的质量配比为：导电炭黑2％，导电石墨2％，石墨烯0.5％，碳纳米管1％。
实施例三
本发明的一种锂离子正极材料，由以下质量配比的各组分组成：磷酸铁锂92.6％，粘结剂2.4％，导电剂4％，N-甲基吡咯烷酮1％，其中，导电剂为导电炭黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管构成的混合物。
具体的，本实施例中，导电剂中导电炭黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管在正极材料中的质量配比为：导电炭黑1.4％，导电石墨：1.4％，石墨烯0.4％，碳纳米管0.8％。
具体的，锂离子正极材料各组分质量配比与电池比能量的关系如表一所示：
表一
实施例六
本发明的一种锂离子正极材料的混料方法，包括以下步骤：
S1:将N-甲基吡咯烷酮与聚偏氟乙烯混合搅拌4小时，得到混合物A；
S2:将导电剂与磷酸铁锂在混料机中干粉混合均匀，得到混合物B；
S3:将混合物B的1/2加入混合物A，并搅拌1小时，得到混合物C；
S4:将混合物B的1/4加入混合物C，并搅拌1小时，得到混合物D；
S5:将混合物B的1/4加入混合物D，并搅拌5小时，得到锂离子正极材料。
本发明的锂离子正极材料混料方法，可防止混料团聚，提高了成品质量，缩短了混料时间，由原有的15个小时降低到现有的约11个小时，降低了混料过程的吸水量，提高了涂布效果。
具体的，步骤S1中，搅拌角速度为25rpm，搅拌线速度为10m/s；步骤S2中，搅拌角速度为20rpm，搅拌线速度为5m/s；步骤S3和步骤S4中，搅拌角速度为25rpm，搅拌线速度为12m/s；步骤S5中，搅拌角速度为28rpm，搅拌线速度为20m/s。
本发明的锂离子正极材料混料方法，对各个步骤的搅拌线速度和角速度进行控制，步骤S1中，搅拌角速度为25-30rpm，搅拌线速度为10-12m/s；步骤S2中，搅拌角速度为20-25rpm，搅拌线速度为5-8m/s；步骤S3和步骤S4中，搅拌角速度为25-30rpm，搅拌线速度为12-15m/s；步骤S5中，搅拌角速度为28-30rpm，搅拌线速度为20-22m/s，使得物料快速混合更为均匀，并且，上述搅拌角速度和线速度下混料更不易发生团聚现象，吸水率极低，大幅提高了锂离子正极材料的成品质量。
本实施例中，步骤S1、S2、S3、S4、S5的搅拌过程中的真空度均小于0.085Mpa，可保证物料混合均匀，降低吸水率。
本实施例中，步骤S1、S2、S3、S4、S5的搅拌过程中的搅拌温度为0-60℃，此温度范围内，混料的粘度适中，混合更均匀。
作为上述方案的改进，步骤S1、S2、S3、S4、S5的搅拌过程中的搅拌温度为45℃，此时，混料的粘度的粘堵为最佳值，此粘度下，混料更易搅拌混合均匀，且具有低吸水率。
实施例七
步骤S1中，搅拌角速度为30rpm，搅拌线速度为12m/s；步骤S2中，搅拌角速度为25rpm，搅拌线速度为8m/s；步骤S3和步骤S4中，搅拌角速度为30rpm，搅拌线速度为15m/s；步骤S5中，搅拌角速度为30rpm，搅拌线速度为22m/s。
实施例八
步骤S1中，搅拌角速度为26rpm，搅拌线速度为11m/s；步骤S2中，搅拌角速度为22.5rpm，搅拌线速度为6.5m/s；步骤S3和步骤S4中，搅拌角速度为27.5rpm，搅拌线速度为13.5m/s；步骤S5中，搅拌角速度为29rpm，搅拌线速度为21m/s。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种锂离子正极材料，其特征在于，由以下质量配比的各组分组成：
磷酸铁锂：91.0％-94.2％；
导电剂：2.8％-5.5％；
粘结剂：2％-2.5％；
余量为N-甲基吡咯烷酮；
其中，导电剂为导电炭黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管构成的混合物，
粘结剂为聚偏氟乙烯。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子正极材料，其特征在于：所述导电剂中导电炭黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管在正极材料中的质量配比为：
导电炭黑：1％-2％；
导电石墨：1％-2％；
石墨烯：0.3％-0.5％；
碳纳米管：0.5％-1％。
3.一种权利要求1～2中任一所述的锂离子正极材料的混料方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:将N-甲基吡咯烷酮与聚偏氟乙烯混合搅拌4小时，得到混合物A；
S2:将导电剂与磷酸铁锂在混料机中干粉混合均匀，得到混合物B；
S3:将混合物B的1/2加入混合物A，并搅拌1小时，得到混合物C；
S4:将混合物B的1/4加入混合物C，并搅拌1小时，得到混合物D；
S5:将混合物B的1/4加入混合物D，并搅拌5小时，得到锂离子正极材料。
4.根据权利要求3所述的一种锂离子正极材料的混料方法，其特征在于：
步骤S1中，搅拌角速度为25-30rpm，搅拌线速度为10-12m/s；
步骤S2中，搅拌角速度为20-25rpm，搅拌线速度为5-8m/s；
步骤S3和步骤S4中，搅拌角速度为25-30rpm，搅拌线速度为12-15m/s；
步骤S5中，搅拌角速度为28-30rpm，搅拌线速度为20-22m/s。
5.根据权利要求3所述的一种锂离子正极材料的混料方法，其特征在于：步骤S1、S2、S3、S4、S5的搅拌过程中的真空度均小于0.085Mpa。
6.根据权利要求3所述的一种锂离子正极材料的混料方法，其特征在于：步骤S1、S2、S3、S4、S5的搅拌过程中的搅拌温度为0-60℃。
7.根据权利要求6所述的一种锂离子正极材料的混料方法，其特征在于：步骤S1、S2、S3、S4、S5的搅拌过程中的搅拌温度为45℃。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20160420

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