CN109638291B - 一种正极浆料、制备方法以及正极片和锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

一种正极浆料，包括正极活性材料和掺杂有PEDOT的凝胶材料，掺杂有PEDOT的凝胶材料由溶液体系I在加热状态下聚合得到的凝胶状高分子化合物，并且凝胶高分子化合物上均匀的分布有氧化状态下的PEDOT粉末；聚合单体为可开环进行聚合的丙烯酸及其衍生物；正极活性材料包括第一正极活性材料和第二正极活性材料，第一正极活性材料为三元材料NixCoyMnzO2,所述x+y+z＝1；第二正极活性材料为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍锰酸锂、磷酸铁锰锂、铁酸锂中的一种或几种；第一正极活性材料和第二正极活性材料的重量比为1:3‑3:1。本发明的锂离子电池的正极浆料的化学稳定性好、安全性能高和循环寿命长。

Description

一种正极浆料、制备方法以及正极片和锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池，尤其涉及一种锂离子电池的正极浆料及制备方法和用正极浆料制作而成的正极片和锂离子电池
背景技术
传统内燃机汽车造成的环境问题和石油资源紧缺迫使人们将视野投向了新能汽车。电动汽车以其能真正实现“零排放”而成为新能源汽车的重要发展方向。在过去的数十年中，日益成熟的锂离子电池技术成为了驱动电动汽车技术飞速发展的主要动力。正极材料作为锂离子电池作为锂离子电池最核心部分，性能的好坏直接关系到电池的优劣。商业化LiCoO2面临比容量偏低、成本较高和环境污染等严峻挑战，亟需寻找替代LiCoO2的正极材料。
层状结构的LiNi1-x-yCoxMnyO2三元材料兼具了LiCoO2、LiNiO2和LiMnO2三者的优点，量密度高、成本低、综合性能比单一的正极材料性能优异，是一种非常有应用前景的正极材料，同时也成为未来较长一段时间内动力电池领域最有发展前景的材料。
与传统材料相比，三元材料虽然极大地提高了电池能量密度，但也还存在化学稳定性、循环寿命不足等缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种对电解液保湿性好，使得锂离子电池寿命长的正极浆料、制备方法以及正极片和锂离子电池。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种正极浆料，包括正极活性材料和掺杂有PEDOT的凝胶材料，所述掺杂有PEDOT的凝胶材料由溶液体系I在加热状态下聚合得到的凝胶状高分子化合物，并且凝胶高分子化合物上均匀的分布有氧化状态下的PEDOT粉末；所述溶液体系I包括75％-95％的聚合单体、1-15％的PVA、1-10％的去离子水、2％-10％的交联剂和0.1％-5％的热引发剂；所述聚合单体为可开环进行聚合的丙烯酸及其衍生物；所述正极活性材料包括第一正极活性材料和第二正极活性材料，所述第一正极活性材料为三元材料NixCoyMnzO2,所述x+y+z＝1；第二正极活性材料为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍锰酸锂、磷酸铁锰锂、铁酸锂中的一种或几种；所述第一正极活性材料和第二正极活性材料的重量比为1:3-3:1。
在本发明中，PVA分子主链为碳链，每一个重复单元上含有一个经基，由于羟基尺寸小，极性强，容易形成氢键，其化学性质稳定，具有足够的热稳定性、高度的亲水性和水溶性，同时它还具有良好的成膜性和粘接力。在PVA和PAA(可开环进行聚合的丙烯酸及其衍生物)大分子之间发生-COOH与-OH之间酯化反应形成交联，同时PVA与电解液中的水分子形成氢键，水分不易挥发，电解液中水分的保存极大的保证了锂离子电池的循环寿命。聚合后的PVA与PAA的交联结构如下：
Figure BDA0001925146280000021
在本发明中，在凝胶材料中掺杂有PEDOT，有效提高了凝胶材料的导电性，凝胶材料能够有效吸附电解液；凝胶骨架提供离子通道，凝胶材料中的PEDOT提供电子通道，能够显著的提高电极材料的物化性能，同时PDEOT也能够是的材料更加具有机械强度。
在本发明中，凝胶材料本身就具有一定的粘结性，在涂覆到正极片上的时候不需要另外在加入粘接剂，这样就能够避免正极活性材料在粘接剂中分散是否均匀的问题；也不会纯在由于凝接剂团聚的问题。在本发明中，PEDOT粉末和正极活性材料是均匀的分布在凝胶当中的，因为在制备凝胶之前PEDOT均匀的分布在聚合单体之中，故聚合后PEDOT和正极活性材料的分布非常均匀；生产出来的正极片和锂离子电池的稳定性能也就非常好。
上述的正极浆料，优选的，所述聚合单体包括丙烯酸、聚丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸异丁酯和甲基丙烯酸乙酯的一种或多种。
上述的正极浆料，优选的，所述交联剂包括甲基丙烯酸-2-乙基己酯、甲基丙烯酸-2-羟基乙酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸-2-羟基丙酯和甲基丙烯酸甲酯的一种或多种。
上述的正极浆料，优选的，所述热引发剂包括过氧化氢、过硫酸盐和氢过氧化物的一种或多种。
上述的正极浆料，优选的，所述PEDOT为3,4-乙烯二氧噻吩单体聚合物的粉末，粉末的粒径小于60目。
一种正极浆料的制备方法，包括以下步骤，1)氧化状态下的PEDOT的制备：将3,4-乙烯二氧噻吩单体加入到氧化剂溶液中，混合均匀后进行聚合反应，所述聚合反应分为三个阶段第一阶段温度60～65℃，聚合25～30min；第二阶段温度165～170℃，聚合30～35min；第三阶段温度60-100摄氏度，直到形成粉末状固态；将得到的粉末状固体过筛得到小于100目的粉末；
2)正极活性材料的制备：①第一正极活性材料和第二正极活性材料不同比例物理混合均匀，选取粒径小于20目的混合颗粒；②将混合颗粒摊平在烧结匣中，通过空气，空气的气量控制在4-7L/min，进行烧结；烧结过程为：从室温开始用140min升温至450℃，并保温60min，用100min升温至750℃，并保温60min，用56min升温至920℃，并保温660min，经过5min升温至930℃，并保温60min，自然冷却到100℃左右收料得到正极活性材料；
3)溶液体系I的制备，①将聚合单体、PVA、去离子水以及交联剂剂混合，在95℃下搅拌20-200min，
②在①的混合溶液中加入热引发剂，常温继续搅拌30-40min；
4)将步骤1得到的PEDOT粉末和步骤2)得到的正极活性材料加入到步骤3)形成的溶液中，并且超声搅拌混合均匀，用微波加热的方式加热聚合30min-5h得到正极浆料；所述微波加热的温度为70-100℃。
上述的正极浆料的制备方法，优选的，所述氧化剂为对甲苯黄酸铁、过硫酸铵、过硫酸钠、硫酸铵、氯化铁中的一种或多种。氧化状态下的PEDOT具有很高的稳定性，特别适合在温差比较大的环境下使用，氧化状态下的PEDOT在800℃的温度下其导电性都不会改变，故本发明中的正极浆料的的导电性能够的温差较大的环境中得到保证。
在本发明中，采用微波加热，加热块，可以使得凝胶溶液在同一时间进行聚合，不像传统的由外到内的模式，这样凝胶反应出来的后的产品一致性更好。
上述的正极浆料的制备方法，优选的，包括正极集流体和设置在正极集流体上的正极薄片，其特征在于，所述正极薄片为由权利要求1-5任一项所述的正极浆料烘干所形成。
一种锂离子电池，上述的正极片。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的锂离子电池的正极浆料的化学稳定性好、循环寿命长。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
实施例1
一种正极浆料，包括正极活性材料和掺杂有PEDOT的凝胶材料，掺杂有PEDOT的凝胶材料由溶液体系I在加热状态下聚合得到的凝胶状高分子化合物，并且凝胶高分子化合物上均匀的分布有氧化状态下的PEDOT粉末；溶液体系I包括75％-95％的丙烯酸甲酯、1-15％的PVA、1-10％的去离子水、2％-10％的三乙二醇二甲基丙烯酸酯和0.1％-5％的过氧化氢；所述正极活性材料包括第一正极活性材料和第二正极活性材料，第一正极活性材料为三元材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2；第二正极活性材料为钴酸锂；正极活性材料由第一正极活性材料和第二正极活性材料烧结而成，锂离子和LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的分子比为10.5:1。
本实施例中，PEDOT为3,4-乙烯二氧噻吩单体聚合物的粉末，粉末的粒径小于60目。三元材料和钴酸锂的颗粒粒径均小于20目。
本实施例正极浆料的制备方法，包括以下步骤，1)氧化状态下的PEDOT的制备：将3,4-乙烯二氧噻吩单体加入到对甲苯黄酸铁溶液中，混合均匀后进行聚合反应，所述聚合反应分为三个阶段第一阶段温度60～65℃，聚合25～30min；第二阶段温度165～170℃，聚合30～35min；第三阶段温度60～100℃，直到形成粉末状固态；将得到的粉末状固体过筛得到小于100目的粉末；
2)正极活性材料的制备：①选取粒径小于20目的第一和第二正极活性材料进行物理混合得到混合颗粒；②将混合颗粒摊平在烧结匣中，通过空气，空气的气量控制在4-7L/min，进行烧结；烧结过程为：从室温开始用140min升温至450℃，并保温60min，用100min升温至750℃，并保温60min，用56min升温至920℃，并保温660min，经过5min升温至930℃，并保温60min，自然冷却到100℃左右收料得到正极活性材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2；
3)溶液体系I的制备，①将聚合单体、PVA、去离子水以及交联剂剂混合，在95℃下搅拌20-200min，
②在①的混合溶液中加入热引发剂，常温继续搅拌30-40min；
4)将步骤1得到的PEDOT粉末和步骤2)得到的正极活性材料加入到步骤3)形成的溶液中，并且超声搅拌混合均匀，用微波加热的方式加热聚合30min-5h得到正极浆料；所述微波加热的温度为70-100℃。
本实施例的材料性能检测，在0.1C放电比容量高于220mAh/g；(2.5-4.8V，半电池)，首次充放电效率不低于85％，1C循环寿命大于1000次，3C放电比容量高于170mAh/g；300次循环容量保持率大于90％。
Figure BDA0001925146280000041
Figure BDA0001925146280000051
本发明的锂离子电池的正极浆料的化学稳定性好、循环寿命长。
实施例2
一种正极浆料，包括正极活性材料和掺杂有PEDOT的凝胶材料，掺杂有PEDOT的凝胶材料由溶液体系I在加热状态下聚合得到的凝胶状高分子化合物，并且凝胶高分子化合物上均匀的分布有氧化状态下的PEDOT粉末；溶液体系I包括75％-95％的丙烯酸甲酯、1-15％的PVA、1-10％的去离子水、2％-10％的三乙二醇二甲基丙烯酸酯和0.1％-5％的过氧化氢；所述正极活性材料包括第一正极活性材料和第二正极活性材料，第一正极活性材料为三元材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2；第二正极活性材料为钴酸锂；锂离子和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的分子比为10.5:1。
本实施例中，PEDOT为3,4-乙烯二氧噻吩单体聚合物的粉末，粉末的粒径小于60目。三元前驱体和碳酸锂的颗粒粒径均小于20目。
本实施例正极浆料的制备方法，包括以下步骤，1)氧化状态下的PEDOT的制备：将3,4-乙烯二氧噻吩单体加入到对甲苯黄酸铁溶液中，混合均匀后进行聚合反应，所述聚合反应分为三个阶段第一阶段温度60～65℃，聚合25～30min；第二阶段温度165～170℃，聚合30～35min；第三阶段温度60-100摄氏度，直到形成粉末状固态；将得到的粉末状固体过筛得到小于100目的粉末；
2)正极活性材料的制备：①选取粒径小于20目的第一和第二正极活性材料进行物理混合得到混合颗粒；②将混合颗粒摊平在烧结匣中，通过空气，空气的气量控制在4-7L/min，进行烧结；烧结过程为：从室温开始用140min升温至450℃，并保温60min，用100min升温至750℃，并保温60min，用56min升温至920℃，并保温660min，经过5min升温至930℃，并保温60min，自然冷却到100℃左右收料得到正极活性材料Li1.05(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2；
3)溶液体系I的制备，①将聚合单体、PVA、去离子水以及交联剂剂混合，在95℃下搅拌20-200min，
②在①的混合溶液中加入热引发剂，常温继续搅拌30-40min；
5)将步骤1得到的PEDOT粉末和步骤2)得到的正极活性材料加入到步骤3)形成的溶液中，并且超声搅拌混合均匀，用微波加热的方式加热聚合30min-5h得到正极浆料；所述微波加热的温度为70-100℃。
本实施例的材料性能检测，在0.1C放电比容量高于220mAh/g；(2.5-4.8V，半电池)，首次充放电效率不低于85％，1C循环寿命大于1000次，3C放电比容量高于170mAh/g；300次循环容量保持率大于90％。
循环次数 充电容量(mAh) 放电容量(mAh) 放电容量衰减率(％)
1 0.87 0.87 100
100 0.81 0.81 93.2
200 0.81 0.80 93.2
300 0.80 0.80 90.9
本发明的锂离子电池的正极浆料的化学稳定性好和循环寿命长。

Claims (4)

1.一种正极浆料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，1）氧化状态下的PEDOT的制备：将3,4-乙烯二氧噻吩单体加入到氧化剂溶液中，混合均匀后进行聚合反应，所述聚合反应分为三个阶段第一阶段温度60～65℃，聚合25～30min；第二阶段温度165～170℃，聚合30～35min；第三阶段温度60～100℃，直到形成粉末状固态；将得到的粉末状固体过筛得到小于100目的粉末；
2）正极活性材料的制备：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
第一正极活性材料和第二正极活性材料不同比例物理混合均匀，选取粒径小于20目的混合颗粒；
Figure DEST_PATH_IMAGE002
将混合颗粒摊平在烧结匣中，通过空气，空气的气量控制在4-7L/min，进行烧结；烧结过程为：从室温开始用140min升温至450oC，并保温60min，用100min升温至750 oC，并保温60min，用56min升温至920 oC，并保温660min，经过5min升温至930 oC，并保温60min，自然冷却到100 oC左右收料得到正极活性材料；
3）溶液体系
Figure DEST_PATH_IMAGE003
的制备，
Figure 133282DEST_PATH_IMAGE001
将聚合单体、PVA、去离子水以及交联剂混合，在95℃下搅拌20-200min，
Figure 329383DEST_PATH_IMAGE002
在
Figure 781225DEST_PATH_IMAGE001
的混合溶液中加入热引发剂，常温继续搅拌30-40min；
4）将步骤1得到的PEDOT粉末和步骤2）得到的正极活性材料加入到步骤3）形成的溶液中，并且超声搅拌混合均匀，用微波加热的方式加热聚合30min-5h得到正极浆料；所述微波加热的温度为70-100℃；
所述溶液体系
Figure 582958DEST_PATH_IMAGE003
包括75%-95%的聚合单体、1-15%的PVA、1-10%的去离子水、2%-10%的交联剂和0.1%-5%的热引发剂；所述聚合单体为可开环进行聚合的丙烯酸及其衍生物；所述正极活性材料包括第一正极活性材料和第二正极活性材料，所述第一正极活性材料为三元材料NixCoyMnzO2，x+y+z=1；第二正极活性材料为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍锰酸锂、磷酸铁锰锂、铁酸锂中的一种或几种；所述第一正极活性材料和第二正极活性材料的重量比为1:3-3:1；
所述聚合单体包括丙烯酸、聚丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸异丁酯和甲基丙烯酸乙酯的一种或多种；
所述交联剂包括甲基丙烯酸-2-乙基己酯、甲基丙烯酸-2-羟基乙酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸-2-羟基丙酯和甲基丙烯酸甲酯的一种或多种；
所述热引发剂包括过氧化氢、过硫酸盐和氢过氧化物的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的正极浆料的制备方法，其特征在于：所述氧化剂为对甲苯黄酸铁、过硫酸铵、过硫酸钠、硫酸铵、氯化铁中的一种或多种。
3.一种正极片，其特征在于：包括正极集流体和设置在正极集流体上的正极薄片，其特征在于，所述正极薄片为由权利要求1或2制备的正极浆料烘干所形成。
4.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求3所述的正极片。
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