CN107863489A - 一种锂离子电池正极及使用该正极的锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种锂离子电池正极及使用该正极的锂离子电池，该电池正极包括集电体以及涂敷和/或填充在集电体上的正极材料；正极材料包括正极活性物质/碳基纳米网复合物、导电剂和粘合剂；正极活性物质以纳米颗粒形式均匀镶嵌在所述碳基纳米网的网格中。本发明实施例通过构建正极活性物质/碳基纳米网复合物，将正极活性物质以纳米颗粒形式均匀镶嵌在所述碳基纳米网的网格中，提高了锂电池正极的导电性和锂电池的比容及循环稳定性，可快速充电和大倍率放电。

Description

一种锂离子电池正极及使用该正极的锂离子电池
技术领域
本发明实施例涉及锂离子电池技术，尤其涉及一种锂离子电池正极及使用该正极的锂离子电池。
背景技术
可充电锂离子电池是一种可循环使用的高效清洁电源，现已成为可携带电子设备的标准电池。其中，作为锂离子电池中最为关键的部分之一的正极材料，目前常用的是锂的过渡金属氧化物，如钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMnO2)、磷酸金属锂(LiMPO4)和硅酸金属锂(Li2MSiO4)等。
其中，橄榄石型LiFePO4具有无毒、安全性能好和原料来源广泛的优点，此外，还具有理论比容高(170mAh·g-1)、循环稳定性好的特点。但由于LiFePO4的电化学过程为扩散控制，存在锂离子扩散系数小、电导率较低和实际比容相对较低等缺点。因此如何提高LiFePO4电池的导电率和比容成为亟需解决的问题。
发明内容
本发明提供一种锂离子电池正极及使用该正极的锂离子电池，通过构建正极活性物质/碳基纳米网复合物，将正极活性物质以纳米颗粒形式均匀镶嵌在所述碳基纳米网的网格中，提高了锂电池正极的导电性和锂电池的比容及循环稳定性，可快速充电和大倍率放电。
第一方面，本发明实施例提供了一种锂离子电池正极，包括集电体以及涂敷和/或填充在集电体上的正极材料；
正极材料包括正极活性物质/碳基纳米网复合物、导电剂和粘合剂；
正极活性物质以纳米颗粒形式均匀镶嵌在碳基纳米网的的网格中。
进一步的，碳基纳米网的网壁由5～9层石墨组成，网格尺寸为10～30nm。
进一步的，正极活性物质为LiFePO4，其纳米颗粒尺寸为10～25nm。
进一步的，导电剂为乙炔黑，粘合剂为聚偏氟乙烯。
进一步的，正极材料中，正极活性物质/碳基纳米网复合物、导电剂和粘合剂的质量比为80：10：10。
第二方面，本发明实施例还提供了实施例一中的锂离子电池正极的制备方法，该方法包括：
将正极活性物质/碳基纳米网复合物、导电剂和粘合剂分散在溶剂中，制成浆料；
将上述浆料均匀涂敷和/或填充在集电体上；
真空干燥；
其中，正极活性物质以纳米颗粒形式均匀镶嵌在所述碳基纳米网的的网格中。
进一步的，碳基纳米网的网壁由5～9层石墨组成，所述网格尺寸为10～30nm。
进一步的，正极活性物质为LiFePO4，其纳米颗粒尺寸为10～25nm。
进一步的，导电剂为乙炔黑，所述粘合剂为聚偏氟乙烯。
进一步的，正极材料中，正极活性物质/碳基纳米网复合物、导电剂和粘合剂的质量比为80：10：10。
第三方面，本发明实施例还提供了一种锂离子电池，包括实施例一中的锂离子电池正极、负极、浸渍了电解液的隔膜以及包覆上述锂离子电池正极、负极和隔膜的封装结构。
进一步的，负极包括负极材料和负极集电体。
本发明通过构建正极活性物质/碳基纳米网复合物，将正极活性物质以纳米颗粒形式均匀镶嵌在碳基纳米网的网格中，提高了锂电池正极的导电性和锂电池的比容及循环稳定性，可快速充电和大倍率放电。
附图说明
图1是本发明实施例一中的正极活性物质/碳基纳米网复合物的透射电镜图；
图2是本发明实施例二中的锂离子电池正极的制备方法流程图；
图3是本发明实施例三中的锂离子电池的剖面示意图。
图4是本发明实施例三中的锂离子电池1C(a)15C(b)倍率下循环性能和库仑效率图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的正极活性物质/碳基纳米网复合物的透射电镜图，图3为使用实施例一中正极的锂离子电池的剖面示意图。参考图3，该正极由集电体101及涂敷在集电体上并经干燥后的正极材料103组成。该正极材料包括正极活性物质/碳基纳米网复合物、导电剂和粘合剂，正极活性物质以纳米颗粒形式均匀镶嵌在碳基纳米网的的网格中。碳基纳米网具有高的比表面积和导电性能，有利于电解液与镶嵌在碳基纳米网中的正极活性物质充分接触，缩短Li+固相扩散自由程，从而提高了该正极的电化学性能和导电性。
本发明实施例通过构建正极活性物质/碳基纳米网复合物，将正极活性物质以纳米颗粒形式均匀镶嵌在高比表面积的碳基纳米网的网格中，提高了锂电池正极的导电性。
进一步的，参考图1，上述正极活性物质/碳基纳米网复合物中，，碳基纳米网的网壁由5～9层石墨组成，网格尺寸为10～30nm，其比表面积高达1274m2·g-1。正极活性物质为LiFePO4，其纳米颗粒尺寸为10～25nm。
进一步的的，上述集电体为导电性能好的铝箔，正极活性物质为LiFePO4，导电剂为乙炔黑，粘合剂为聚偏氟乙烯。上述正极材料中，正极活性物质/碳基纳米网复合物、导电剂和粘合剂的质量比为80：10：10。
实施例二
图2为本发明实施例二中的锂离子电池正极的制备方法流程图，该方法包括：
S1将正极材料分散在溶剂中，制成浆料；
将正极材料均匀分散在溶剂中，并用磁力搅拌机搅拌，直至形成浆料。
S2将上述浆料均匀涂敷和/或填充在集电体上；
将上述浆料均匀涂敷和/或填充在集电体上，集电体可以为铝箔。
S3真空干燥；
放入120摄氏度的真空干燥箱中干燥10小时。
上述正极材料包括正极活性物质/碳基纳米网复合物、导电剂和粘合剂，其中，正极活性物质以纳米颗粒形式均匀镶嵌在碳基纳米网的的网格中。
本发明实施例二制备的锂离子电池正极，通过构建正极活性物质/碳基纳米网复合物，将正极活性物质以纳米颗粒形式均匀镶嵌在高比表面积的碳基纳米网的网格中，提高了锂电池正极的导电性。
进一步的，上述正极活性物质可以是LiFePO4，导电剂可以是乙炔黑，粘合剂可以是聚偏氟乙烯；上述溶剂可以是无水N-甲基吡咯烷酮。
进一步的，上述正极材料中，正极活性物质/碳基纳米网复合物、导电剂和粘合剂的质量比为80：10：10。
实施例三
图3是本发明实施例三中的锂离子电池的剖面示意图，参照图3。该锂离子电池包括集电体101、正极材料103、浸渍了电解液的隔膜105、负极材料107、负极集电体109以及封装结构111。
上述正极材料包括正极活性物质/碳基纳米网复合物、导电剂和粘合剂，具体的，上述集电体为导电性能好的铝箔，正极活性物质为LiFePO4，导电剂为乙炔黑，粘合剂为聚偏氟乙烯。上述正极材料中，正极活性物质/碳基纳米网复合物、导电剂和粘合剂的质量比为80：10：10。
上述正极活性物质/碳基纳米网复合物中，正极活性物质以纳米颗粒形式均匀镶嵌在碳基纳米网的的网格中，碳基纳米网的网壁由5～9层石墨组成，网格尺寸为10～30nm，其比表面积高达1274m2·g-1。正极活性物质为LiFePO4，其纳米颗粒尺寸为10～25nm。上述复合结构使得Li+具有较短的固相扩散自由程，保证了该正极具有良好的电化学性能和导电性。
上述电解液为1mol·L－1的LiPF6/EC+DMC(V∶V＝1∶1)，隔膜为聚丙烯微孔膜，负极材料可以为金属锂片、锂金属混合氧化物或其组合，负极集电体为铝箔，封装结构用于包覆正极、负极、隔膜和电解液，其材料可以是铝箔。
具体的，将质量比为80∶10∶10的LiFePO4/碳基纳米网复合物、乙炔黑和聚偏氟乙烯分散在无水N-甲基吡咯烷酮溶剂中制成浆料,均匀地涂布在铝箔上,放入120℃的真空干燥箱中干燥10h。以金属锂片为对电极,Celgard 2400聚丙烯微孔膜为隔膜，1mol·L－ 1LiPF6/EC+DMC(V∶V＝1∶1)为电解液,在无水无氧的氩气氛手套箱里组装成CR2032型扣式电池。在Neware电池性能测试系统上进行恒电流充放电测试，电压范围为2.0～4.0V。
参考图4，测试结果表明，采用LiFePO4/碳基纳米网复合物作为正极的锂离子电池，在0.1C下放电比容量可达163mAh·g－1，接近LiFePO4的理论比容量；在15C和30C高倍率下,放电比容量可达96和75mAh·g－1，15C倍率下循环200圈后比容量为92mAh·g－1，即复合物具有优异的倍率性能和循环稳定性。
本发明实施例通过构建正极活性物质/碳基纳米网复合物，将正极活性物质以纳米颗粒形式均匀镶嵌在高比表面积的碳基纳米网的网格中，提高了正极材料的导电性和锂电池的比容及循环稳定性，可快速充电和大倍率放电。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种锂离子电池正极，其特征在于，包括集电体以及涂敷和/或填充在所述集电体上的正极材料；
所述正极材料包括正极活性物质/碳基纳米网复合物、导电剂和粘合剂；
所述正极活性物质以纳米颗粒形式均匀镶嵌在所述碳基纳米网的的网格中。
2.如权利要求1所述的锂离子电池正极，其特征在于，所述碳基纳米网的网壁由5～9层石墨组成，所述网格尺寸为10～30nm。
3.如权利要求1所述的锂离子电池正极，其特征在于，所述正极活性物质为LiFePO4，其纳米颗粒尺寸为10～25nm。
4.如权利要求1所述的锂离子电池正极，其特征在于，所述导电剂为乙炔黑，所述粘合剂为聚偏氟乙烯。
5.如权利要求1所述的锂离子电池正极，其特征在于，所述正极材料中，正极活性物质/碳基纳米网复合物、导电剂和粘合剂的质量比为80：10：10。
6.一种针对权利要求1～5所述的锂离子电池正极的制备方法，其特征在于，包括：
将正极活性物质/碳基纳米网复合物、导电剂和粘合剂分散在溶剂中，制成浆料；
将上述浆料均匀涂敷和/或填充在集电体上；
真空干燥；
其中，所述正极活性物质以纳米颗粒形式均匀镶嵌在所述碳基纳米网的的网格中。
7.如权利要求6所述的锂离子电池正极的制备方法，其特征在于，所述碳基纳米网的网壁由5～9层石墨组成，所述网格尺寸为10～30nm。
8.如权利要求6所述的锂离子电池正极的制备方法，其特征在于，所述正极材料中，正极活性物质/碳基纳米网复合物、导电剂和粘合剂的质量比为80：10：10。
9.一种锂离子电池，其特征在于，包括：权利要求1～5中任意一项所述的锂离子电池正极、负极、浸渍了电解液的隔膜以及包覆上述锂离子电池正极、负极和隔膜的封装结构。
10.如权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极包括负极材料和负极集电体。
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