CN109935831A - 电极惰性材料、复合电极、制作方法和锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电极惰性材料、复合电极、制作方法和锂离子电池，该复合电极包括集流体层、形成于集流体层表面的活性层、以及对活性层中活性材料进行隔离的惰性材料，该惰性材料具有离子电导、电子电导和脱嵌锂特性。本发明在传统的电极表面复合了一层惰性层，或在活性颗粒表面包覆惰性材料，该惰性材料同时具有离子电导和电子电导，同时本身具备脱嵌锂特性，而由于这层惰性材料的隔离，活性物质层，特别是高克容量的过渡金属氧化物和电解液的接触被阻隔了，从而即不影响电极的容量及倍率特性，同时大大提高了电极的安全性。由该电极制备的锂离子电池具有高能量密度和高安全性的特征。

Description

电极惰性材料、复合电极、制作方法和锂离子电池

技术领域

本申请涉及锂离子二次电池，特别是涉及一种电极惰性材料、复合电极、方法和锂离子电池。

背景技术

中国专利第201510778650.3号申请公开了一种锂离子电池电极，包括集流体和涂覆于集流体两表面的活性物质，集流体表面具有多孔结构，多孔结构的孔内具有能稳固活性物质的粘性隔膜，集流体两表面的活性物质通过粘性隔膜连接，粘性隔膜允许锂离子穿过或穿梭。

该技术方案可使集流体两面的活性物质通过粘性隔膜实现连接或连通，实现集流体两表面活性物质对锂离子嵌入脱嵌/插入脱插的共用，避免了两面涂覆的活性物质不一致时充放电过程中出现的锂枝晶，提高活性物质的利用率，使电池活性物质得到完全利用，更为重要的是解决了集流体两表面活性物质涂覆密度不一致时，产生析锂的问题。

但是上述技术方案中，由于活性物质层没有保护层，活性物质层、特别是高克容量的过渡金属氧化物和电解液的接触无法被阻隔，存在安全性问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电极惰性材料、复合电极、制作方法和锂离子电池，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开一种电极惰性材料，其具有离子电导、电子电导和脱嵌锂特性。

优选的，在上述的电极惰性材料中，惰性材料包括含锂的过渡金属磷酸盐、和/或含锂的过渡金属硅酸盐，过渡金属硅酸盐或者过渡金属磷酸盐的颗粒大小为5～200nm。

优选的，在上述的电极惰性材料中，过渡金属磷酸盐采用磷酸铁锂或磷酸锰锂；过渡金属硅酸盐为硅酸钴锂或硅酸铁锂。

本申请还公开了一种复合电极，包括集流体层、形成于集流体层表面的活性层、以及对活性层中活性材料进行隔离的惰性材料，该惰性材料具有离子电导、电子电导和脱嵌锂特性。

优选的，在上述的复合电极中，所述惰性材料形成于活性层表面构成惰性层。

优选的，在上述的复合电极中，所述惰性层还包括导电碳材料，所述惰性材料与导电碳材料的重量比为70:30～96:4。

优选的，在上述的复合电极中，所述活性层和惰性层的重量比为90:10～97:3。

优选的，在上述的复合电极中，所述惰性材料包覆于活性材料颗粒的表面。

相应的，本申请还公开了一种复合电极的制作方法，包括：

先在集流体层的表面形成活性层，然后将惰性材料制作成浆料并涂覆于活性物质层表面，形成惰性层，然后烘干获得复合电极；或

先将惰性材料包覆于活性材料颗粒上，制作成浆料后涂覆于集流体层的表面。

本申请还公开了一种锂离子电池，以所述的复合电极作为正极。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明在传统的电极表面复合了一层惰性层，或在活性颗粒表面包覆惰性材料，该惰性材料同时具有离子电导和电子电导，同时本身具备脱嵌锂特性，而由于这层惰性材料的隔离，活性物质层，特别是高克容量的过渡金属氧化物和电解液的接触被阻隔了，从而即不影响电极的容量及倍率特性，同时大大提高了电极的安全性。由该电极制备的锂离子电池具有高能量密度和高安全性的特征。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中复合电极的结构示意图。

具体实施方式

本实施公开了一种电极惰性材料，其同时具有离子电导、电子电导和脱嵌锂特性。

在优选的实施例中，该惰性材料包括含锂的过渡金属磷酸盐、含锂的过渡金属硅酸盐、或两者的混合物。

进一步地，过渡金属硅酸盐或者过渡金属磷酸盐的颗粒大小为5～200nm。

进一步地，过渡金属磷酸盐采用磷酸铁锂或磷酸锰锂；过渡金属硅酸盐为硅酸钴锂或硅酸铁锂。

本实施例还公开了一种复合电极，包括集流体层1、形成于集流体层1表面的活性层2、以及对活性层2中活性材料进行隔离的惰性材料，该惰性材料具有离子电导、电子电导和脱嵌锂特性。

在一实施例中，所述惰性材料形成于活性层表面构成惰性层3。

进一步地，活性物质层和惰性层的厚度比为(9～999):1。

集流体可以是常用的铝箔、镍箔或者不锈钢箔。还可以采用层叠石墨烯层,层叠石墨烯层包括碳纳米管或/和碳纤维。

集流体层的厚度以5～20微米为宜。

活性层的材料优选自三元523、三元811、三元622或NCA。

活性层的制备方法不限，例如可以沿用传统锂离子电池的制作工艺，采用涂布的方式预制。具体地，可以是将活性物质、导电剂、粘结剂以及一定量溶剂混合制成浆料，涂布在集流体层表面，真空干燥，去除溶剂，即可制得脱嵌锂活性物质层。其中溶剂的选择与粘结剂有关，若粘结剂为有机粘结剂，则可采用有机溶剂、例如N-甲基吡咯烷酮等，若第一粘结剂为水系粘结剂，则可采用水为溶剂。

惰性层还包括导电碳材料。

导电碳材料可以是炭黑、乙炔黑、科琴黑、super-P等导电碳材料中的一种或者混合物，也可以是具有优越导电性能的碳纤维、碳管、石墨烯等碳材料。

在优选的实施例中，导电碳材料的特征尺寸为30nm～100nm

在一实施例中，所述惰性材料与导电碳材料的重量比为70:30～96:4。

在优选的实施例中，所述活性物质层和惰性层的重量比为90:10～97:3。

惰性层的厚度以0.5～5微米为宜。

惰性层位于活性物质层表面，可以防止电极材料粉化、破碎，保证了电极的完整性，维持了活性材料与集流体的电接触。同时，惰性材料保护层隔绝了活性物质层与电解液的直接接触，降低了电解液对活性物质的腐蚀。

惰性层的制备方法，可以采用同样的锂离子电池制作工艺，采用涂布的方式预制。具体地，可以是将惰性材料物质和导电碳材料混合，加上5％左右的粘结剂以及一定量溶剂混合制成浆料，涂布在活性物质层表面，真空干燥，去除溶剂，即可制得惰性层。其中溶剂的选择与粘结剂有关，若粘结剂为有机粘结剂，则可采用有机溶剂、例如N-甲基吡咯烷酮等，若粘结剂为水系粘结剂，则可采用水为溶剂。

在另一实施例中，惰性材料包覆于活性材料颗粒的表面。

惰性层的制备方法，可以先将活性物质(含锂的过渡金属氧化物)和小颗粒的磷酸盐或硅酸盐先复合，将小颗粒的惰性材料和导电碳材料包覆在活性物质颗粒上，然后将复合材料加导电剂、粘结剂及相应的溶液形成浆料后涂覆在集流体上并烘干。

本发明方法中，惰性的包覆层将在电极表面连在一起形成对活性物质的隔离作用。

本实施例还提供一种锂离子电池，将上述的复合电极，加上相应的负极，中间加上隔膜，并密封在金属腔体或者铝塑膜中，注入电解液，经过化成分容工序即可形成高安全的锂离子电池。

本案的目的是隔绝正极材料和电解液间的氧化还原反应，提高高温性能和安全性能。本案的技术可以完全用于现有的锂离子生产工艺和设备，现有的制造体系基本不需要任何的变化就可以实现。本案的技术可以让正极材料在锂离子电池体系的安全性得到很好的解决，高克容量和高氧化性正极就能够得到大规模的应用，从而能大大提高锂离子电池的能量密度。

本发明通过下列实施例作进一步说明：根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

本实施例中，复合电极是在集流体层上形成活性物质层和惰性层，然后按照锂电池的制作工艺流程制备电池，其形成的方式包括：

1、直接混合后涂布指：将活性物质和惰性材料两种材料在混料阶段直接混合，加入粘结剂、导电剂等制成涂布浆料后直接涂布后，按照锂电池的制作工艺流程制备电池。

2、材料包覆后涂布指：将活性物质和惰性材料两种材料，以活性物质材料为核心，通过物理化学方法形成核壳结构的包覆体，惰性物质为包覆层，然后加入粘结剂、导电剂等制成涂布浆料后直接涂布，按照锂电池的制作工艺流程制备电池。

3、二次涂布是指：将活性物质加入粘结剂、导电剂等制成涂布浆料后涂布，然后将惰性物质也是加入粘结剂、导电剂等制成浆料，在活性物质做成的极片的基础上进行二次涂布，完成二次涂布的电极片按照锂电池的制作工艺流程制备电池。

下表为不同实施例中复合电极的材料，以及由其制备的锂电池的性能参数，除表中所示，其他条件相同。

由上表可知：

(1)、对比例1-3中，活性材料层中未设置惰性材料，且活性层表面不设置惰性层，在针刺、挤压、炉热条件下，容易发生起火；

(2)、对比例4-7中，活性材料层中掺杂有惰性材料，采用直接混合后涂布方式制作复合电极(惰性材料未包覆于活性材料颗粒外表面)，由其制作的电池，也容易发生冒烟起火；

(3)、实施例1-9中，活性材料层表面形成惰性材料层，或惰性材料包覆在活性材料颗粒表面，不易发生冒烟起火，且电池能量密度不降低。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims (10)

1.一种电极惰性材料，其具有离子电导、电子电导和脱嵌锂特性。

2.根据权利要求1所述的电极惰性材料，其特征在于，惰性材料包括含锂的过渡金属磷酸盐、和/或含锂的过渡金属硅酸盐，过渡金属硅酸盐或者过渡金属磷酸盐的颗粒大小为5～200nm。

3.根据权利要求2所述的电极惰性材料，其特征在于，过渡金属磷酸盐采用磷酸铁锂或磷酸锰锂；过渡金属硅酸盐为硅酸钴锂或硅酸铁锂。

4.一种复合电极，其特征在于，包括集流体层、形成于集流体层表面的活性层、以及对活性层中活性材料进行隔离的惰性材料，该惰性材料具有离子电导、电子电导和脱嵌锂特性。

5.根据权利要求4所述的复合电极，其特征在于，所述惰性材料形成于活性层表面构成惰性层。

6.根据权利要求5所述的复合电极，其特征在于，所述惰性层还包括导电碳材料，所述惰性材料与导电碳材料的重量比为70:30～96:4。

7.根据权利要求5所述的复合电极，其特征在于，所述活性层和惰性层的重量比为90:10～97:3。

8.根据权利要求4所述的复合电极，其特征在于，所述惰性材料包覆于活性材料颗粒的表面。

9.权利要求4所述复合电极的制作方法，其特征在于，包括：

先在集流体层的表面形成活性层，然后将惰性材料制作成浆料并涂覆于活性物质层表面，形成惰性层，然后烘干获得复合电极；或

先将惰性材料包覆于活性材料颗粒上，制作成浆料后涂覆于集流体层的表面。

10.一种锂离子电池，以权利要求4至8任一所述的复合电极作为正极。