CN106159257B - 一种正极活性材料及其制备方法、正极片及锂离子电池 - Google Patents

一种正极活性材料及其制备方法、正极片及锂离子电池 Download PDF

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Abstract

为克服现有技术中锂离子电池正极能量密度低的问题，本发明提供了一种正极活性材料，具有如下分子式：K6[Co2V10O32H2]。同时，本发明还公开了上述正极活性材料的制备方法、含有上述正极活性材料的正极片以及锂离子电池。本发明提供的方法制备得到的正极活性材料有效克容量高，利于提高锂离子电池的能量密度。

Description

一种正极活性材料及其制备方法、正极片及锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子二次电池领域，尤其涉及一种正极活性材料及其制备方法、正极片及锂离子电池。
背景技术
当今日常生活中，锂离子二次电池已被广泛应用于移动电话、笔记本电脑及其他数码产品中，是不可缺少的储能器件。目前，应用于锂离子电池的正极材料主要采用锂离子插嵌过渡金属层状氧化物，如LiCoO2、LiMn2O4等。该类材料的充放电过程依赖于锂离子在其晶格结构中的有序插入与脱嵌，这些材料的容量与循环稳定性主要由其晶体结构的稳定性决定。在充放电过程中，一旦晶体构造被破坏或失去可恢复性，电池的容量将衰减且循环性能恶化。
另外，这些传统的锂离子插嵌正极材料在充放电过程中大多只能进行单电子氧化还原反应，导致其可获得的比容量通常低于200mAhg-1，使得锂离子电池的能量密度较低。当前基于这些传统正极材料的锂离子电池对那些能量密度需求更高的应用领域，如混合动力车、纯电动车等，表现出不足之处。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中锂离子电池能量密度低的问题，提供一种正极片。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
提供一种正极活性材料，具有如下分子式：K6[Co2V10O32H2]。
同时，本发明还提供了该正极活性材料的制备方法，包括将0.04-0.055mol的KVO3溶于100-300ml的去离子水中，然后加入4ml摩尔浓度为1mol/L的Co2+的氯化盐/硝酸盐/硫酸盐溶液、1.35-2.7g的K2S2O8固体，并调节pH值为1.5-4进行反应，随后在60-80℃蒸发溶液，冷却，过滤得到产物。
并且，本发明还提供了一种正极片，包括正极集流体和位于正极集流体上的正极材料，所述正极材料包括所述正极活性材料、正极粘结剂和正极导电剂；所述正极活性材料通过上述方法制备得到；所述正极导电剂为导电碳黑。
另外，本发明还提供了采用上述正极片的锂离子电池，包括电池壳体以及设置于电池壳体内的电芯，所述电芯包括卷绕或层叠的正极片、隔膜和负极片；所述正极片为如前所述的正极片。
本发明采用过度金属V为附加原子，Co为中心杂原子，周边10个VO6八面体围绕中心2个CoO6八面体通过边分享而结合成具有图1所示构造的离子[Co2V10O32H2]6-，该离子与对阳离子K+形成分子性簇离子化合物K6[Co2V10O32H2]。该化合物中的V元素，按进行氧化还原反应，十个V5+全部还原为V3+可以提供20个电子，因此该材料可发挥的理论克容量高达390mAh/g。
本发明所合成的离子([Co2V10O32H2]6-)中各金属元素通过共价键相结合，形成的结构比较稳定，作为正极材料使用时，作为氧化还原反应的基体单元，不易受到破坏，可以保证充放循环的持续进行。
本发明提供的化合物(K6[Co2V10O32H2])，作为锂离子电池正极材料使用，其理论克容量达390mAh/g，约为传统正极材料如LiCoO2、LiFePO4等的两倍。
附图说明
图1是本发明实施例1合成的正极活性材料中阴离子[Co2V10O32H2]6-的多面体构造。
图2是本发明实施例1合成的正极活性材料的X射线衍射图。
图3是本发明实施例1合成的正极活性材料的扫描电子显微镜图。
图4是本发明实施例1合成的正极活性材料的各元素能谱分布图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的正极活性材料具有如下分子式：K6[Co2V10O32H2]。
上述正极活性材料具有较高的理论克容量，可有效的提高锂离子电池的能量密度。
根据本发明，优选情况下，所述正极活性材料的平均粒径为200-400nm。纳米级的上述正极活性材料可以缩短锂离子在电极中的传输距离，从而在一定程度上提高离子电导率。利于进一步提高正极活性材料的导电性，提高其充放电容量，利于提高由该正极活性材料制备得到的锂离子电池的能量密度。
本发明中还提供了上述正极活性材料的制备方法，包括将0.04-0.055mol的KVO3溶于100-300ml的去离子水中，然后加入4ml摩尔浓度为1mol/L的Co2+的氯化盐/硝酸盐/硫酸盐溶液、1.35-2.7g的K2S2O8固体，并调节pH值为1.5-4进行反应，随后在60-80℃蒸发溶液，冷却，过滤得到产物。
本发明采用KVO3及含Co2+的氯化盐/硝酸盐/硫酸盐为主要合成原料，调节溶液pH值以有利于分子性簇离子的自组装形成，然后再添加过硫酸钾作为氧化剂将Co2+氧化为Co3 +，加热搅拌溶液进行化学反应，最终形成分子性簇离子[Co2V10O32H2]6-，溶液经蒸发浓缩后，K+作为对阳离子与该阴离子结合，形成本发明中的化合物K6[Co2V10O32H2]。
上述各物质的添加量可按K6[Co2V10O32H2]中各元素的含量比进行添加，通常会根据实际情况适当过量添加，本发明中，优选情况下，所述KVO3、Co2+、K2S2O8的物质的量之比为0.04-0.055：1：0.005-0.01。
通过上述方法制备得到的正极活性材料的平均粒径为纳米级，优选为200-400nm，并且粒径均匀。纳米级的上述正极活性材料可以缩短锂离子在电极中的传输距离，从而在一定程度上提高离子电导率。
同时，本发明还提供了一种正极片，包括正极集流体和位于正极集流体上的正极材料，所述正极材料包括如前所述的方法制备得到的正极活性材料。
与现有正极片类似的，本发明中，所述正极集流体的种类已为本领域技术人员所公知，例如可以选自铝箔、铜箔、冲孔钢带。
根据本发明，正极材料内，正极活性材料的含量为20-99wt％，优选为30-60wt％。本发明中，优选情况下，正极材料中，正极活性材料的平均粒径为200-400nm。此时，利于进一步提高正极活性材料的导电性，提高其充放电容量，利于提高由该正极活性材料制备得到的锂离子电池的能量密度。
所述正极材料中除上述正极活性材料外，通常还包括正极粘结剂和选择性含有的正极导电剂。
本发明所述的正极材料对正极粘结剂没有特别的限制，可以采用本领域已知的各种可用于锂离子二次电池的正极粘结剂，例如，可以为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或LA132中的一种或几种。所述正极材料中，所述正极粘结剂的含量为0.5-10wt％，优选为3-10wt％，更优选为5-10wt％。
本发明提供的正极材料还含有正极导电剂。本发明中，所述正极导电剂为导电碳黑。
发明人在试验中意外的发现，本发明中，在正极活性材料为本发明提供的正极活性材料的基础上，当正极导电剂采用导电碳黑时，可实现更好的导电效果，使正极活性材料发挥出更高的克容量，从而更明显的提高锂离子电池的能量密度。
所述正极材料中，所述正极导电剂的含量为0.5-70wt％，优选为30-60wt％。此时，在采用本发明提供的方法制备的正极活性材料的基础上，在上述正极导电剂添加量的情况下，利于提高正极活性材料的克容量。
根据本发明，上述正极片的制备方法为公知的，例如，正极片的制备方法包括在正极集流体上涂覆含有正极活性材料、正极粘结剂和选择性含有的正极导电剂的浆料，干燥、辊压，裁片后即得到正极片。所述干燥通常在50-160℃，优选80-150℃下进行。所述辊压和裁片为本领域技术人员公知，辊压完成后，按照所制备电池要求的正极尺寸进行裁切，得到正极片。
所述涂覆步骤在正极集流体上形成厚度为0.01-1mm的正极材料层。
根据本发明，用于制备正极浆料的溶剂可以选自常规的溶剂，如可以选自N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二乙基甲酰胺(DEF)、二甲亚砜(DMSO)、四氢呋喃(THF)以及醇类中的一种或几种。溶剂的用量使所述浆料能够涂覆到所述集流体上即可。
同时，本发明还提供了一种采用上述正极片的锂离子电池，包括电池壳体以及设置于电池壳体内的电芯，所述电芯包括依次设置的正极片、隔膜和负极片；所述正极片为如前所述的正极片。
根据本发明，上述锂离子电池中，正极片以外的其余部件，例如电池壳体、隔膜、负极片等均可采用现有的常规结构和材料。
例如，与现有技术一样，所述负极的组成为本领域技术人员所公知。负极中包含的负极活性物质包括能够与锂离子反应形成含锂化合物的材料，以及锂合金。优选情况下，使用金属锂片作为负极。
本发明中，如现有的，隔膜设置于正极片和负极片之间，具有电绝缘性能和液体保持性能。所述隔膜可以选自锂离子二次电池中所用的各种隔膜，优选情况下，所述隔膜选自聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合膜。所述隔膜的位置、性质和种类为本领域技术人员所公知。
将上述正极片、隔膜、负极片依次设置，并通过常规的方式制备形成电芯。将上述电芯放置于电池壳体内，并通过正极极耳将正极片与电池的正极焊接，使正极片与电池的正极电连接，通过负极极耳将负极片与电池的负极焊接，使负极片与电池的负极电连接。
如本领域技术人员所公知的，将电芯置于电池外壳内之后，还需向电池外壳内注入电解液，使电芯浸没于电解液中，最后经过塑化和化成即可得到本发明提供的锂离子二次电池。
本发明对电解液没有特殊限制，可采用常规的各种，例如，如本领域技术人员所公知的，所述电解液由非水溶剂以及溶解于非水溶剂的电解质组成。上述非水溶剂没有特别限定，可使用迄今为止的非水溶剂。所述非水溶剂可以使现有技术中的各种高沸点溶剂、低沸点溶剂或者他们的混合物。例如，可以选自γ-丁内酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、碳酸丙烯酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸二苯酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、磺内酯以及其他含氟、含硫或含不饱和键的环状有机酯类、有机酸酐、N-甲基吡咯烷酮、N-甲基甲酰胺、N-甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、环丁砜、乙腈、二甲亚砜中的至少一种。
所述非水溶剂中溶解的电解质，本发明同样没有特别的限定，可使用通常用于非水电解液锂二次电池的电解质。如六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、六氟砷酸锂(LiSbF6)、高氯酸锂(LiClO4)、氟烃基磺酸锂(LiCF3SO3)、Li(CF3SO2)2N、LiC4F9SO3、高铝酸锂(LiAlO4)、LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(式中x和y为1-10的自然数)、氯化锂(LiCl)及碘化锂(LiI)中的一种或几种。非水电解液中电解质的浓度一般为0.1-2.0mol/L，优选为0.7-1.6mol/L。
以下通过实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
本实施例用于说明本发明公开的正极活性材料及其制备方法、正极片及锂离子电池。
1、正极活性材料合成
将7.18g(0.052mol)KVO3溶于180ml温度为80℃的去离子水中，待其全部溶解后，依次加入4ml摩尔浓度为1mol/L的CoSO4溶液、2.16g的K2S2O8固体粉末，并加入硝酸溶液调节pH值为3.5，随后在80℃蒸发溶液，在5h内控制溶液剩余量约60ml，过滤得到滤液，在该滤液中加入8ml浓度为1mol/L的醋酸钾溶液，自然冷却并搅拌该溶液得到沉淀物，过滤。
2、晶体构造表征
对产物进行X射线衍射分析，其X射线衍射谱图如图2所示。
3、晶体形貌表征
对产物进行扫描电子显微镜分析，如图3所示，颗粒形貌为不规则片状粒子。其平均粒径为300nm。
4、元素成分分析
对产物进行元素能谱分析，如图4所示，测得K的质量分数为20.25％，Co的质量分数为10.65％，V的质量分数为46.81％，K、Co、V三者的摩尔比接近6：2：10，表明合成的沉淀物为K6[Co2V10O32H2]。
5、正极片的制备
将正极活性材料：导电碳黑：正极粘结剂(PVDF)按30％：60％：10％的质量百分比进行浆料制备、涂布、烘干、辊压、裁片，得到正极片。
6、锂离子电池的制备
采用上述正极片(直径14mm)，金属锂片为负极片，EC：DEC＝3：7(体积比)(含1mol/L的LiPF6)为电解液，制成2032型扣式电池S1。
实施例2
本实施例用于说明本发明公开的正极活性材料及其制备方法、正极片及锂离子电池。
1、正极活性材料合成
将6.63g(0.048mol)KVO3溶于180ml温度为80℃的去离子水中，待其全部溶解后，依次加入4ml摩尔浓度为1mol/L的CoSO4溶液、1.35g的K2S2O8固体粉末，并加入硝酸溶液调节pH值为2，随后在80℃蒸发溶液，在5h内控制溶液剩余量约60ml，过滤得到滤液，在该滤液中加入8ml浓度为1mol/L的醋酸钾溶液，自然冷却并搅拌该溶液得到沉淀物，过滤。其平均粒径为330nm。
2、正极片的制备
将正极活性材料：导电碳黑：正极粘结剂(PVDF)按40％：55％：5％的质量百分比进行浆料制备、涂布、烘干、辊压、裁片，得到正极片。
3、锂离子电池的制备
采用上述正极片(直径14mm)，金属锂片为负极片，EC：DEC＝3：7(体积比)(含1mol/L的LiPF6)为电解液，制成2032型扣式电池S2。
实施例3
本实施例用于说明本发明公开的正极活性材料及其制备方法、正极片及锂离子电池。
1、正极活性材料合成
将6.07g(0.044mol)KVO3溶于180ml温度为80℃的去离子水中，待其全部溶解后，依次加入4ml摩尔浓度为1mol/L的CoSO4溶液、1.62g的K2S2O8固体粉末，并加入硝酸溶液调节pH值为2.5，随后在80℃蒸发溶液，在5h内控制溶液剩余量约60ml，过滤得到滤液，在该滤液中加入8ml浓度为1mol/L的醋酸钾溶液，自然冷却并搅拌该溶液得到沉淀物，过滤。其平均粒径为310nm。
2、正极片的制备
将正极活性材料：导电碳黑：正极粘结剂(PVDF)按55％：42％：3％的质量百分比进行浆料制备、涂布、烘干、辊压、裁片，得到正极片。
3、锂离子电池的制备
采用上述正极片(直径14mm)，金属锂片为负极片，EC：DEC＝3：7(体积比)(含1mol/L的LiPF6)为电解液，制成2032型扣式电池S3。
对比例1
本实施例用于说明本发明公开的正极活性材料及其制备方法、正极片及锂离子电池。
正极片的制备方法与实施例1基本相同，区别在于采用乙炔黑替换导电碳黑，制成正极片。
采用上述正极片，按照实施例1的方法制备得到2032型扣式电池D1。
性能测试
对上述制备得到的锂离子电池S1-S3以及D1进行如下测试：
25℃环境下，对电池在电压范围为1.5-4.2V、电流密度为17mA/g的条件下进行恒流充放电循环。
得到的测试结果见表1。
表1
样品 首次放电容量(mAh/g)
S1 265
S2 251
S3 230
D1 120
从表1的测试结果可以看出，采用本发明提供的方法制备得到的正极活性物质的粒径小，用于正极片上时，利于提高其导电性能。
对比实施例1和对比例1的测试结果可知，采用导电碳黑与本发明方法制备的正极活性材料共同使用时，可更好的提高电池的导电性能和比容量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种正极活性材料，其特征在于，具有如下分子式：K6[Co2V10O32H2]。
2.根据权利要求1所述的正极活性材料，其特征在于，所述正极活性材料的平均粒径为200-400nm。
3.如权利要求1所述的正极活性材料的制备方法，其特征在于，包括将0.04-0.055mol的KVO3溶于100-300ml的去离子水中，然后加入4ml摩尔浓度为1mol/L的Co2+的氯化盐或硝酸盐或硫酸盐溶液、1.35-2.7g的K2S2O8固体，并调节pH值为1.5-4进行反应，随后在60-80℃蒸发溶液，冷却，过滤得到产物。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述KVO3、Co2+、K2S2O8的物质的量之比为0.04-0.055：1：0.005-0.01。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述正极活性材料的平均粒径为50-500nm。
6.一种正极片，其特征在于，包括正极集流体和位于正极集流体上的正极材料，所述正极材料包括所述正极活性材料、正极粘结剂和正极导电剂；所述正极活性材料通过权利要求3-5中任意一项所述的方法制备得到；所述正极导电剂为导电碳黑。
7.根据权利要求6所述的正极片，其特征在于，所述正极粘结剂选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的一种或多种；
所述正极材料中，所述正极活性材料的含量为20-99wt％，所述正极粘结剂的含量为0.5-10wt％，所述正极导电剂的含量为0.5-70wt％。
8.根据权利要求6或7所述的正极片，其特征在于，所述正极集流体上的正极材料为层状，其厚度为0.01-1mm。
9.一种锂离子电池，其特征在于，包括电池壳体以及设置于电池壳体内的电芯，所述电芯包括依次设置的正极片、隔膜和负极片；
所述正极片为权利要求6-8中任意一项所述的正极片。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极片为金属锂片。
11.根据权利要求9或10所述的锂离子电池，其特征在于，所述隔膜选自聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合膜。
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