CN105633341A - 一种高导热性锂离子电池正极片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池正极片，由如下重量份的原料制备而成：电池正极活性材料9900份、无机非金属粉体80～99份、表面偶联剂1～20份和胶液3000～5000份。本发明还提供该电池正极片的制备方法，包括如下步骤：1)将无机非金属粉体与表面偶联剂混合，在无水乙醇的条件下进行偶联，得到复合无机非金属粉体；2)将所述复合无机非金属粉体与电池正极活性材料混合，得混合物料；3)将所述混合物料与胶液混合后进行打浆，再经涂布、切片制备出高导热性能的锂离子电池正极片。本发明所述的电池正极片，利用无机非金属粉体的高导热性作为添加剂，提高了锂离子正极材料的导热性能。

Description

一种高导热性锂离子电池正极片及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池制备领域，尤其涉及一种高导热性锂离子电池正极片及其制备方法。
背景技术
目前，锂离子电池以其优异的性能正逐步进入交通领域，被大量运用于电动自行车、电动大巴等交通交通工具。随着动力电池的发展进步，对锂离子电池提出了越来越高的放电倍率要求。由于锂离子电池在大倍率放电时会产生大量热，这不但影响电池的放电性能，而且由于温度过高，介于正负极极片之间的隔膜就有被融化的危险，进而出现电池短路，造成事故的发生。
目前解决这一问题的方法主要是通过改变电池组的外部结构，进而提高电池组的散热性能。CN10519025A公布了一种电动汽车电池组散热装置；CN104300188A公布了一种电池组散热管理方法；CN104409795A公布了一种风冷和液冷一体化的电池摸组。这些都是从电池组外部着手，加快单体电池已散出热量的消除。但是单体电池本身热导性差，产生的热量不能及时的散发出去，这极大地影响了锂离子电池的安全性能。目前还鲜有技术涉及从电池内部着手，提高锂离子单体电池的导热速率，进而提高锂离子电池的导热效率。
锂离子电池主要由正极片、隔膜、负极片、电解液组成，构成正极片的活性物质导热率较低。提高正极材料的导热性能，是提高单体锂离子电池导热性能的重要途径。提高正极材料导热性的方法通常是添加导热性较好的粉体。虽然金属粉体导热性好，但是添加金属粉体的正极片易对隔膜造成损坏。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术中的锂离子电池存在导热性能差的缺陷，本发明提供一种添加非金属离子的锂离子电池的正极片。
(二)技术方案
本发明的目的是提供一种锂离子电池的正极片，由如下重量份的原料制备而成：电池正极活性材料9900份、无机非金属粉体80～99份、表面偶联剂1～20份和胶液3000～5000份。
本发明中，所述无机非金属粉体为氮化铝、金刚石粉体、氧化铝、氮化硼和碳化硅中的一种或几种。这些无机非金属粉体是通过点阵或晶格振动，即声子或热波进行热的传递，导热性能非常好，能迅速把电池内部产生的热量传导到单体电池外部。
本发明中，所述无机非金属粉体的粒径为0.5um～3um，使用这个粒径范围内的粉体不会对正极材料的涂布造成不利影响。
本发明中，所述表面偶联剂为硅烷类偶联剂、钛酸酯偶联剂和铝酸酯偶联剂中的一种或几种。这几类偶联剂同时具有能与无机非金属材料(如AlN粉体、金刚石粉体、水泥等)结合的反应性基团和与有机材料(如PVDF、NMP等)结合的反应性基团。可利用其包覆无机非金属粉体，有效地把无机非金属粉体与有机溶剂连接起来，使无机非金属粉体均匀悬浮在浆料中。
本发明中，所述电池正极活性材料为三元正极材料，如：磷酸铁锂、钴酸锂或者锰酸锂。
本发明中，所述胶液由聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合而成，其中，聚偏氟乙烯的质量分数为5～15％。
本发明所述的锂离子电池正极材料，其原料组成优选包括：
包括电池正极活性材料9900份、无机非金属粉体90～99份、表面偶联剂1～10份和胶液3800～4200份；其中，所述无机非金属粉体为氮化铝粉末、碳化硅粉末或氮化硼粉末，其粒径为0.5um～3um；所述表面偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、二辛基焦磷酸酰氧基或二硬脂酰氧异丙基铝酸酯；所述电池正极活性材料为磷酸铁锂；所述胶液由聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合而成，其中聚偏氟乙烯的重量百分数为10～15％。
进一步的，按重量份，本发明所述的锂离子电池正极材料，其原料组成优选包括：
硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷1份，氮化铝粉末99份，锂离子电池活性物质磷酸铁锂9900份，PVDF和NMP配成的胶液4000份，其中PVDF的质量百分数为15％；
或：硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷10份，氮化铝粉末90份，锂离子电池活性物质磷酸铁锂9900份，PVDF和NMP配成的胶液4200份，其中PVDF的质量百分数为10％；
或：钛酸脂偶联剂二辛基焦磷酸酰氧基10份，氮化铝粉末90份，锂离子电池活性物质磷酸铁锂9900份，PVDF和NMP配成的胶液3800份，其中PVDF的质量百分数为15％；
或：铝酸酯偶联剂二硬脂酰氧异丙基铝酸酯10份，碳化硅粉末90份，锂离子电池活性物质磷酸铁锂9900份，PVDF和NMP配成的胶液4000份，其中PVDF的质量百分数为15％
或：铝酸酯偶联剂二硬脂酰氧异丙基铝酸酯10份，氮化硼粉末90份，锂离子电池活性物质磷酸铁锂9900份，PVDF和NMP配成的胶液4000份，其中PVDF的质量百分数为12％。
更进一步的，本发明所述的锂离子电池正极材料，其原料组成优选包括：按重量份，钛酸脂偶联剂二辛基焦磷酸酰氧基10份，氮化铝粉末90份，锂离子电池活性物质磷酸铁锂9900份，PVDF和NMP配成的胶液3800份，其中PVDF的质量百分数为15％
本发明的另一目的是提供本发明所述锂离子电池正极片的制备方法，包括如下步骤：
1)将无机非金属粉体与表面偶联剂混合，在无水乙醇的条件下进行偶联，得到复合无机非金属粉体；
2)将所述复合无机非金属粉体与电池正极活性材料混合，得混合物料；
3)将所述混合物料与胶液混合后进行打浆，再经涂布、切片制备出高导热性能的锂离子电池正极片。
本发明中，所述步骤1)中偶联的具体操作为：将无机非金属粉体和偶联剂的混合后与无水乙醇按质量体积比1：1～2混合，75～85℃搅拌1.5～2.5h。
本发明所述的方法，优选包括如下步骤：
1)将无机非金属粉体与表面偶联剂混合后，与无水乙醇按质量体积比1：1～2混合，5～85℃搅拌1.5～2.5h，静置后，过滤出复合氮化铝粉体湿料，75～85℃干燥0.5～1.5h，得复合氮化铝粉体；
2)将所述复合无机非金属粉体与电池正极活性材料混合，得混合物料；
3)将所述混合物料与胶液混合后进行打浆，再经涂布、切片制备出高导热性能的锂离子电池正极片。
本发明的最后一个目的是保护本发明所述的锂离子电池正极片制成的锂离子电池。
(三)有益效果
本发明所述的锂离子电池正极片，具有如下的有益效果：
1)从单体锂离子电池内部着手，利用无机非金属粉体的高导热性，作为添加剂，提高锂离子正极材料的导热性能。
2)表面偶联剂同时具有能与无机非金属材料(如AlN粉体、金刚石粉体、水泥等)结合的反应性基团和与有机材料(如PVDF、NMP等)结合的反应性基团，利用表面偶联剂包覆无机非金属粉体，有效地把无机非金属粉体与有机溶剂连接起来，使无机非金属粉体均匀悬浮在浆料中，制备的高导热效率的锂离子电池正极片。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例涉及一种锂离子电池的正极片，由包括如下重量份的原料制得：硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷1g，氮化铝粉末99g，锂离子电池活性物质磷酸铁锂9900g，PVDF和NMP配成的胶液4000g，其中PVDF的质量百分数为15％。
本实施例还提供该锂离子电池正极片的制备方法，包括如下步骤：
1)将1gγ-氨丙基三乙氧基硅烷和99g氮化铝粉末混合后，放入装有150ml无水乙醇容器，80℃搅拌2h，静置后，过滤出复合氮化铝粉体湿料，80℃干燥1h，得复合氮化铝粉体；
2)将所述复合氮化铝粉体与9900g锂离子电池活性物质混合，得混合物料；
3)将所述混合物料加入到PVDF和NMP配成的4000g胶液中，进行打浆、涂布、切片，得锂离子电池的阳极片。
本实施例还提供该电池正极片制备成的锂离子电池:
用该极片制备成18650(3.6V-2200mAh)单体锂离子电池，或制备成软包单体电池(3.6V-3300mAh)。
实施例2
本实施例涉及一种锂离子电池的正极片，由包括如下重量份的原料制得：硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷10g，氮化铝粉末90g，锂离子电池活性物质磷酸铁锂9900g，PVDF和NMP配成的胶液4200g，其中PVDF的质量百分数为10％。
本实施例还提供该锂离子电池正极片的制备方法，包括如下步骤：
1)将10gγ-氨丙基三乙氧基硅烷和90g氮化铝粉末混合后，放入装有150ml无水乙醇容器，80℃搅拌2h，静置后，过滤出复合氮化铝粉体湿料，80℃干燥1h，得复合氮化铝粉体；
2)将所述复合氮化铝粉体与9900g锂离子电池活性物质混合，得混合物料；
3)将所述混合物料加入到PVDF和NMP配成的4200g胶液中，进行打浆、涂布、切片，得锂离子电池的阳极片。
本实施例还提供该电池正极片制备成的锂离子电池：
用该极片制备成18650(3.6V-2200mAh)单体锂离子电池，或制备成软包单体电池(3.6V-3300mAh)。
实施例3
本实施例涉及一种锂离子电池的正极片，由包括如下重量份的原料制得：钛酸脂偶联剂二辛基焦磷酸酰氧基10g，氮化铝粉末90g，锂离子电池活性物质磷酸铁锂9900g，PVDF和NMP配成的胶液3800g，其中PVDF的质量百分数为15％。
本实施例还提供该锂离子电池正极片的制备方法，包括如下步骤：
1)将10g二辛基焦磷酸酰氧基和90g氮化铝粉末混合后，放入装有150ml无水乙醇容器，80℃搅拌1.5h，静置后，过滤出复合氮化铝粉体湿料，80℃干燥1h，得复合氮化铝粉体；
2)将所述复合金刚石粉体与9900g锂离子电池活性物质混合，得混合物料；
3)将所述混合物料加入到PVDF和NMP配成的3800g胶液中，进行打浆、涂布、切片，得锂离子电池的阳极片。
本实施例还提供该电池正极片制备成的锂离子电池：
用该极片制备成18650(3.6V-2200mAh)单体锂离子电池，或制备成软包单体电池(3.6V-3300mAh)。
实施例4
本实施例涉及一种锂离子电池的正极片，由包括如下重量份的原料制得：铝酸酯偶联剂二硬脂酰氧异丙基铝酸酯10g，碳化硅粉末90g，锂离子电池活性物质磷酸铁锂9900g，PVDF和NMP配成的胶液4000g，其中PVDF的质量百分数为15％。
本实施例还提供该锂离子电池正极片的制备方法，包括如下步骤：
1)将10g二硬脂酰氧异丙基铝酸酯和90g碳化硅粉末混合后，放入装有120ml无水乙醇容器，80℃搅拌2.5h，静置后，过滤出复合碳化硅粉体湿料，85℃干燥0.5h，得复合碳化硅粉体；
2)将所述复合碳化硅粉体与9900g锂离子电池活性物质混合，得混合物料；
3)将所述混合物料加入到PVDF和NMP配成4000g胶液中，进行打浆、涂布、切片，得锂离子电池的阳极片。
本实施例还提供该电池正极片制备成的锂离子电池：
用该极片制备成18650(3.6V-2200mAh)单体锂离子电池，或制备成软包单体电池(3.6V-3300mAh)。
实施例5
本实施例涉及一种锂离子电池的正极片，由包括如下重量份的原料制得：铝酸酯偶联剂二硬脂酰氧异丙基铝酸酯10g，氮化硼粉末90g，锂离子电池活性物质磷酸铁锂9900g，PVDF和NMP配成的胶液4000g，其中PVDF的质量百分数为12％。
本实施例还提供该锂离子电池正极片的制备方法，包括如下步骤：
1)将10g二硬脂酰氧异丙基铝酸酯和90g氮化硼粉末混合后，放入装有200ml无水乙醇容器，80℃搅拌2.5h，静置后，过滤出复合氮化硼粉体湿料，75℃干燥1.5h，得复合氮化硼粉体；
2)将所述复合氮化硼粉体与9900g锂离子电池活性物质混合，得混合物料；
3)将所述混合物料加入到PVDF和NMP配成的4000g胶液中，进行打浆、涂布、切片，得锂离子电池的阳极片。
本实施例还提供该电池正极片制备成的锂离子电池：
用该极片制备成18650(3.6V-2200mAh)单体锂离子电池，或制备成软包单体电池(3.6V-3300mAh)。
实施例6
本实施例涉及一种锂离子电池的正极片，由包括如下重量份的原料制得：铝酸酯偶联剂二硬脂酰氧异丙基铝酸酯20g，碳化硅粉末80g，锂离子电池活性物质磷酸铁锂9900g，PVDF和NMP配成的胶液3000g，其中PVDF的质量百分数为5％。
实施例7
本实施例涉及一种锂离子电池的正极片，由包括如下重量份的原料制得：铝酸酯偶联剂二硬脂酰氧异丙基铝酸酯1g，氮化硼粉末99g，锂离子电池活性物质磷酸铁锂9900g，PVDF和NMP配成的胶液5000g，其中PVDF的质量百分数为10％。
对比例1
与实施例1相比，其区别在于，在电池原料中不添加复合非金属粉体，直接称取锂离子电池活性物质9900g，加入到由PVDF和NMP配成的4000g胶液中，进行打浆、涂布、切片等，制成锂离子电池正极片。
对比例2
与实施例2相比，其区别在于，不对氮化铝粉体进行偶联，直接将其与电池正极活性物质混合后添加到胶液中。
实施例
分别测试实施例1～5和对比例1～3所述的电池的导热性能，测试其2C倍率放电10min后的温升，结果如下表1：
表1
由以上数据可知，用本发明所述的电池正极片制备成的电池升温速度慢，放热性好。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种锂离子电池正极片，其特征在于，由如下重量份的原料制备而成：电池正极活性材料9900份、无机非金属粉体80～99份、表面偶联剂1～20份和胶液3000～5000份。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池正极片，其特征在于，所述无机非金属粉体为氮化铝、金刚石粉体、氧化铝、氮化硼和碳化硅中的一种或几种。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池正极片，其特征在于，所述无机非金属粉体的粒径为0.5μm～3μm。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池正极片，其特征在于，所述表面偶联剂为硅烷类偶联剂、钛酸酯偶联剂和铝酸酯偶联剂中的一种或几种，优选γ-氨丙基三乙氧基硅烷、二辛基焦磷酸酰氧基或二硬脂酰氧异丙基铝酸酯。
5.根据权利要求1或4所述的锂离子电池正极片，其特征在于，所述电极正极活性材料为三元正极材料、磷酸铁锂、钴酸锂或者锰酸锂。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池正极片，其特征在于，所述胶液由聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合而成，其中，聚偏氟乙烯的质量分数为5～15％。
7.根据权利要求1～6任一项所述的锂离子电池正极片，其特征在于，包括电池正极活性材料9900份、无机非金属粉体90～99份、表面偶联剂1～10份和胶液3800～4200份；其中，所述无机非金属粉体为氮化铝粉末、碳化硅粉末或氮化硼粉末，其粒径为0.5um～3um；所述表面偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、二辛基焦磷酸酰氧基或二硬脂酰氧异丙基铝酸酯；所述电池正极活性材料为磷酸铁锂；所述胶液由聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合而成，其中聚偏氟乙烯的质量百分数为10％～15％。
8.权利要求1～7任一项所述锂离子电池正极片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将无机非金属粉体与表面偶联剂混合，在无水乙醇的条件下进行偶联，得到复合无机非金属粉体；
2)将所述复合无机非金属粉体与电池正极活性材料混合，得混合物料；
3)将所述混合物料与胶液混合后进行打浆，再经涂布、切片制备出高导热性能的锂离子电池正极片。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中偶联的具体操作为：将无机非金属粉体和偶联剂混合后与无水乙醇按质量体积比1：1～2混合，75～85℃搅拌1.5～2.5h。
10.权利要求1～7任一项所述锂离子电池正极片制备的锂离子电池。
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