CN107946586A - Ncm‑磷酸铁锂复合正极材料、锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

Ncm‑磷酸铁锂复合正极材料、锂离子电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂离子电池领域，具体而言，提供了一种NCM‑磷酸铁锂复合正极材料、锂离子电池及其制备方法。所述NCM‑磷酸铁锂复合正极材料主要由LiNixCoyMn1‑x‑yO2三元材料和磷酸铁锂复合而成，磷酸铁锂的质量为LiNixCoyMn1‑x‑yO2三元材料的20％‑80％；其中，0<x<1，0<y<1，0<1‑x‑y<1。该复合正极材料能够增大电池的使用电压范围、提高电池比容量、提高电池循环寿命、同时由于原材料储量更丰富因此能降低成本。

Description

NCM-磷酸铁锂复合正极材料、锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，具体而言，涉及一种NCM-磷酸铁锂复合正极材料、锂离子电池及其制备方法。
背景技术
锂离子电池系一种新型的绿色化学电源，与传统的镍镉电池、镍氢电池相比具有电压高、寿命长和能量密度大的优点。随着锂电池技术的不断更新和发展，其质轻、高容、长寿命的优点逐渐得到消费者的青睐。锂电池市场已经由手机扩展到相机、DVD、航膜、玩具等多种领域。近年来，锂离子电池由于具有电压高、循环使用次数多、存储时间长等优点，不仅在便携式电子设备上得到广泛应用，而且也广泛应用于电动汽车、电动自行车以及电动工具等大中型电动设备方面。
锂离子电池的性能主要取决于正负极材料，三元锂离子电池正极材料LiNixCoyMn1-x-yO2(NCM)凭借比容量高的优势，被认为是极具应用前景的锂离子动力电池正极材料，然而其成本稍高、循环性能一般、安全性稍差。磷酸铁锂是一种新型的锂离子电池正极材料，其安全性能与循环寿命是其它电池材料无法比拟的，满足了电动车频繁充放电的需要，而且以磷酸铁锂为正极材料的大容量锂离子电池更易串联使用，可以为电动车提供更高的动力；另外，磷酸铁锂具有无毒、无污染、安全性能好、原材料来源广泛、价格便宜，寿命长等优点，是新一代动力锂离子电池的理想正极材料；然而，其比容量较低，电压较低。寻找能够增大电池的使用电压范围、提高电池比容量、提高电池循环寿命、同时降低成本的正极材料成为锂电行业的一个研究重点。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种NCM-磷酸铁锂复合正极材料，该复合正极材料能够增大电池的使用电压范围、提高电池比容量、提高电池循环寿命、同时由于原材料储量更丰富因此能降低成本。
本发明的第二目的在于提供一种锂离子电池，该锂离子电池包括上述NCM-磷酸铁锂复合正极材料，因此具有使用电压范围广、比容量高、循环寿命长和成本低的优点。
本发明的第三目的在于提供一种锂离子电池的制备方法，该方法工艺简单、科学合理，制备得到的锂离子电池具有使用电压范围广、比容量高、循环寿命长和成本低的优点。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种NCM-磷酸铁锂复合正极材料，主要由LiNixCoyMn1-x- yO2三元材料和磷酸铁锂复合而成，磷酸铁锂的质量为LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料的20％-80％；其中，0<x<1，0<y<1， 0<1-x-y<1。
作为进一步优选的技术方案，磷酸铁锂的质量为 LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料的25％-70％。
作为进一步优选的技术方案，磷酸铁锂的质量为 LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料的35％-65％。
作为进一步优选的技术方案，所述LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料为 LiNi1/3Co1/3Mn1/ 3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2或 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2中的至少一种。
第二方面，本发明提供了一种锂离子电池，包括上述NCM-磷酸铁锂复合正极材料。
作为进一步优选的技术方案，还包括负极材料，所述负极材料包括天然石墨、人造石墨或硅基材料中的至少一种。
第三方面，本发明提供了一种上述锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：(a)分别将包含所述NCM-磷酸铁锂复合正极材料的正极浆料和负极浆料涂覆于正极集流体和负极集流体的两侧，然后进行干燥和压实，形成正极片和负极片；
(b)将正极片和负极片分别裁成所需要的尺寸并组装成电芯；
(c)将电芯装入壳体内，然后向壳体内注入电解液，再封口，最后进行化成和分容即得所述锂离子电池。
作为进一步优选的技术方案，所述正极浆料还包括导电剂和粘结剂，NCM-磷酸铁锂复合正极材料、正极导电剂和正极粘结剂的质量比为93-97：1-2：1-2，优选为94-96：1-2：1-2；
优选地，正极导电剂包括导电碳黑；
优选地，正极粘结剂包括PVDF。
作为进一步优选的技术方案，所述负极浆料包括负极材料、负极导电剂和负极粘结剂，负极材料、负极导电剂和负极粘结剂的质量比为94-96：0.5-2：1-4，优选为94-95：0.5-1：1-2。
作为进一步优选的技术方案，负极导电剂包括导电碳黑；
优选地，负极粘结剂包括CMC和/或SBR；
优选地，CMC和SBR的质量比为0.5-1.5：0.5-1.5，优选为0.8-1.2： 0.8-1.2。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的NCM-磷酸铁锂复合正极材料主要由特定含量的 LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料和磷酸铁锂复合而成，该复合正极材料综合了LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料和磷酸铁锂各自的优势，同时弥补了各自的不足，该复合正极材料能够增大电池的使用电压范围、提高电池比容量、提高电池循环寿命、同时由于原材料储量更丰富因此能降低成本。
本发明提供的锂离子电池包括上述NCM-磷酸铁锂复合正极材料，因此具有使用电压范围广、比容量高、循环寿命长和成本低的优点。
本发明提供的锂离子电池的制备方法工艺简单、科学合理，制备得到的锂离子电池具有使用电压范围广、比容量高、循环寿命长和成本低的优点。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。
第一方面，在至少一个实施例中提供了一种NCM-磷酸铁锂复合正极材料，主要由LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料和磷酸铁锂复合而成，磷酸铁锂的质量为LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料的20％-80％；其中， 0<x<1，0<y<1，0<1-x-y<1。
典型但非限制性地，磷酸铁锂(LiFePO4)的质量为 LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料的20％、25％、30％、35％、40％、45％、 50％、55％、60％、65％、70％、75％或80％。
典型但非限制性地，x、y、1-x-y的取值各自独立地为0.1、0.2、 0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8或0.9。
上述NCM-磷酸铁锂复合正极材料主要由特定含量的 LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料和磷酸铁锂复合而成，该复合正极材料综合了LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料和磷酸铁锂各自的优势，同时弥补了各自的不足，该复合正极材料能够增大电池的使用电压范围、提高电池比容量、提高电池循环寿命、同时由于原材料储量更丰富因此能降低成本。
在一种优选的实施方式中，磷酸铁锂的质量为LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料的25％-70％。
在一种优选的实施方式中，磷酸铁锂的质量为LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料的35％-65％。
磷酸铁锂的质量在上述优选的范围内时，复合正极材料的性能更加优异，各性能之间的平衡性更好，因而能够使锂离子电池的综合性能更加优异，实际应用效果更好。
在一种优选的实施方式中，所述LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料为 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2或 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2中的至少一种。LiNixCoyMn1-x- yO2三元材料典型但非限制性的为LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2，LiNi0.5Co0.2Mn0.3O，LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2，LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2，LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2和 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的组合，LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2和LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2的组合，LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的组合， LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2和LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2的组合，或，LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的组合等。
上述NCM-磷酸铁锂复合正极材料主要是将LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料和磷酸铁锂混合均匀即可，混合方式采用现有的任意一种混合方式即可，本发明对此并不作特别限制。另外，LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料和磷酸铁锂采用现有的即可。
第二方面，在至少一个实施例中提供了一种锂离子电池，包括上述NCM-磷酸铁锂复合正极材料。该锂离子电池包括上述NCM-磷酸铁锂复合正极材料，因此具有使用电压范围广、比容量高、循环寿命长和成本低的优点。
在一种优选的实施方式中，还包括负极材料，所述负极材料包括天然石墨、人造石墨或硅基材料中的至少一种。天然石墨负极材料是采用天然鳞片状晶质石墨经粉碎、球化、分级、钝化、表面等工序处理得到，其高结晶度是天然形成的。人造石墨负极材料是将易石墨化的碳(如石油焦、针状焦、沥青焦等)在一定温度下煅烧，再经粉碎、分级、高温石墨化制得，其高结晶度是通过高温石墨化形成的。硅基材料主要包括晶体硅材料和氧化亚硅材料，晶体硅材料最大的优势是容量高，在完全嵌锂状态下晶体硅材料的比容量可达4200mAh/g，达到石墨材料的10倍以上，甚至要比金属锂负极的容量(3860 mAh/g)还要高；氧化亚硅材料在嵌锂过程中的体积膨胀更小，因此循环性能也得到了极大的提升。
上述负极材料典型但非限制性的为天然石墨，人造石墨，硅基材料，天然石墨和人造石墨的组合，天然石墨和硅基材料的组合，人造石墨和硅基材料的组合，或，天然石墨、人造石墨和硅基材料的组合等。
第三方面，在至少一个实施例中提供了一种上述锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：(a)分别将包含所述NCM-磷酸铁锂复合正极材料的正极浆料和负极浆料涂覆于正极集流体和负极集流体的两侧，然后进行干燥和压实，形成正极片和负极片；
(b)将正极片和负极片分别裁成所需要的尺寸并组装成电芯；
(c)将电芯装入壳体内，然后向壳体内注入电解液，再封口，最后进行化成和分容即得所述锂离子电池。
上述锂离子电池的制备方法工艺简单、科学合理，制备得到的锂离子电池具有使用电压范围广、比容量高、循环寿命长和成本低的优点。
在一种优选的实施方式中，所述正极浆料还包括导电剂和粘结剂，NCM-磷酸铁锂复合正极材料、正极导电剂和正极粘结剂的质量比为93-97：1-2：1-2，优选为94-96：1-2：1-2。NCM-磷酸铁锂复合正极材料、正极导电剂和正极粘结剂的质量比为93-97：1-2：1-2 时，正极浆料的粘度和流动性更好，且NCM-磷酸铁锂活性材料的含量适中，制备得到的锂离子电池的能量密度更高。上述质量比典型但非限制性的为93：1：1、95：1：1、97：1：1、93：2：2、95：2： 2、97：2：2、94：1：1或96：2：2等。
优选地，正极导电剂包括导电碳黑。导电碳黑(或导电炭黑)能够提高正极浆料与正极集流体之间的电子传输，降低电极的界面接触电阻，起到去极化的作用。
优选地，正极粘结剂包括PVDF。PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 为聚偏氟乙稀。
在一种优选的实施方式中，所述负极浆料包括负极材料、负极导电剂和负极粘结剂，负极材料、负极导电剂和负极粘结剂的质量比为94-96：0.5-2：1-4，优选为94-95：0.5-1：1-2。负极材料、负极导电剂和负极粘结剂的质量比为94-96：0.5-2：1-4时，负极浆料的粘度和流动性更好，且负极材料的含量适中，制备得到的锂离子电池的能量密度更高。上述质量比典型但非限制性的为94：0.5：1、95：0.5： 1、96：0.5：1、94：1：2、95：1：2、96：1：2、94：2：4、95：2： 4或96：2：4等。
在一种优选的实施方式中，负极导电剂包括导电碳黑。
优选地，负极粘结剂包括CMC和/或SBR。CMC(Sodium carboxymethlycellulose)为羧甲基纤维素钠，SBR是一种丁苯胶乳, 水性粘结剂，是由苯乙烯(Styrene)和丁二烯(Butadiene)单体以水为介质加入乳化剂引发剂等经过乳液聚合共聚生成，状态为固含量50％左右的水乳液。
优选地，CMC和SBR的质量比为0.5-1.5：0.5-1.5，优选为0.8-1.2： 0.8-1.2。上述CMC和SBR的质量比典型但非限制性的为1：1、0.5： 1.5、0.5：1、1：0.5、1：1.5、1.5：0.5或1.5：1等。
应当理解的是，本发明中未提及的制备步骤及参数，如正极材料或负极材料的粒径等均按照本领域的常规选择即可，本发明对此并不作特别限制。
下面结合实施例和对比例对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
一种NCM-磷酸铁锂复合正极材料，主要由LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2三元材料和磷酸铁锂复合而成，磷酸铁锂的质量为 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2三元材料的20％。
实施例2
一种NCM-磷酸铁锂复合正极材料，主要由LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元材料和磷酸铁锂复合而成，磷酸铁锂的质量为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元材料的35％。
实施例3
一种NCM-磷酸铁锂复合正极材料，主要由LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2三元材料和磷酸铁锂复合而成，磷酸铁锂的质量为LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2三元材料的50％。
实施例4
一种NCM-磷酸铁锂复合正极材料，主要由LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元材料和磷酸铁锂复合而成，磷酸铁锂的质量为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元材料的65％。
实施例5
一种NCM-磷酸铁锂复合正极材料，主要由LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元材料和磷酸铁锂复合而成，磷酸铁锂的质量为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元材料的35％。
实施例6
一种NCM-磷酸铁锂复合正极材料，主要由LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元材料和磷酸铁锂复合而成，磷酸铁锂的质量为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元材料的20％。
实施例7
一种NCM-磷酸铁锂复合正极材料，主要由LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元材料和磷酸铁锂复合而成，磷酸铁锂的质量为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元材料的80％。
实施例4-7的区别仅在于磷酸铁锂的含量不同，其中，实施例4 和5中磷酸铁锂的含量在本发明优选的范围内，实施例6和7中磷酸铁锂的含量不在本发明优选的范围内。
实施例8-14
一种锂离子电池，分别包括实施例1-7所述的NCM-磷酸铁锂复合正极材料，负极材料为软碳。
实施例15
一种锂离子电池，包括实施例7所述的NCM-磷酸铁锂复合正极材料，负极材料为人造石墨。
实施例16
实施例15所述的锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：(a) 分别将包含所述NCM-磷酸铁锂复合正极材料的正极浆料和负极浆料涂覆于正极集流体和负极集流体的两侧，然后进行干燥和压实，形成正极片和负极片；
(b)将正极片和负极片分别裁成所需要的尺寸并组装成电芯；
(c)将电芯装入壳体内，然后向壳体内注入电解液，再封口，最后进行化成和分容即得所述锂离子电池。
实施例17
实施例15所述的锂离子电池的制备方法，与实施例16不同的是，正极浆料中NCM-磷酸铁锂复合正极材料、导电碳黑和PVDF的质量比为95：1：2，负极浆料中人造石墨、导电碳黑和负极粘结剂的质量比为94：1：2，负极粘结剂为CMC和SBR的组合，CMC和SBR 的质量比为1：1。
对比例1
一种锂离子电池，正极材料为LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2三元材料，负极材料为人造石墨。
对比例2
一种锂离子电池，正极材料为磷酸铁锂三元材料，负极材料为人造石墨。
对比例3
一种锂离子电池，正极材料为NCM-磷酸铁锂复合正极材料，主要由LiNi1/3Co1/ 3Mn1/3O2三元材料和磷酸铁锂复合而成，磷酸铁锂的质量为LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2三元材料的10％，负极材料为软碳。
与实施例8不同的是，本对比例中磷酸铁锂的含量不在本发明所提供的范围内。
对比例4
一种锂离子电池，正极材料为NCM-磷酸铁锂复合正极材料，主要由LiNi1/3Co1/ 3Mn1/3O2三元材料和磷酸铁锂复合而成，磷酸铁锂的质量为LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2三元材料的85％，负极材料为软碳。
与实施例8不同的是，本对比例中磷酸铁锂的含量不在本发明所提供的范围内。
电池性能测试
采用锂电池分容柜依次对实施例8-17中得到的锂离子电池和对比例1-4中的锂离子电池进行性能测试，结果如表1所示。
表1锂离子电池性能测试表
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种NCM-磷酸铁锂复合正极材料，其特征在于，主要由LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料和磷酸铁锂复合而成，磷酸铁锂的质量为LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料的20％-80％；其中，0<x<1，0<y<1，0<1-x-y<1。
2.根据权利要求1所述的NCM-磷酸铁锂复合正极材料，其特征在于，磷酸铁锂的质量为LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料的25％-70％。
3.根据权利要求1所述的NCM-磷酸铁锂复合正极材料，其特征在于，磷酸铁锂的质量为LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料的35％-65％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的NCM-磷酸铁锂复合正极材料，其特征在于，所述LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料为LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2或LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2中的至少一种。
5.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的NCM-磷酸铁锂复合正极材料。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，还包括负极材料，所述负极材料包括天然石墨、人造石墨或硅基材料中的至少一种。
7.权利要求5或6所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)分别将包含所述NCM-磷酸铁锂复合正极材料的正极浆料和负极浆料涂覆于正极集流体和负极集流体的两侧，然后进行干燥和压实，形成正极片和负极片；
(b)将正极片和负极片分别裁成所需要的尺寸并组装成电芯；
(c)将电芯装入壳体内，然后向壳体内注入电解液，再封口，最后进行化成和分容即得所述锂离子电池。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述正极浆料还包括导电剂和粘结剂，NCM-磷酸铁锂复合正极材料、正极导电剂和正极粘结剂的质量比为93-97：1-2：1-2，优选为94-96：1-2：1-2；
优选地，正极导电剂包括导电碳黑；
优选地，正极粘结剂包括PVDF。
9.根据权利要求7或8所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述负极浆料包括负极材料、负极导电剂和负极粘结剂，负极材料、负极导电剂和负极粘结剂的质量比为94-96：0.5-2：1-4，优选为94-95：0.5-1：1-2。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于，负极导电剂包括导电碳黑；
优选地，负极粘结剂包括CMC和/或SBR；
优选地，CMC和SBR的质量比为0.5-1.5：0.5-1.5，优选为0.8-1.2：0.8-1.2。
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