CN110277554A - 正极材料和正极片及其制备方法、锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正极材料和正极片及其制备方法、锂离子电池，所述正极材料包括正极活性物质和包覆所述正极活性物质的包覆层，所述包覆层用以将所述正极活性物质与正极中的电解质相隔离。本发明通过设置包覆所述正极活性物质的包覆层，防止了正极活性物质与正极中的电解质发生反应，优化了电池性能。

Description

正极材料和正极片及其制备方法、锂离子电池

技术领域

本发明涉及储能器件技术领域，特别是一种正极材料和正极片及其 制备方法、锂离子电池。

背景技术

随着经济全球化的发展，资源、能源的消耗与浪费日渐严重。21世 纪不仅是信息自动化、电子科技化的时代，更是资源日益枯竭、环境日 益恶化的时代。传统的铅酸、镍氢电池因能量密度较低，环境污染等问 题已经很难满足市场的需求。因此，开发高性能的锂离子电池，寻求高 质量的电极材料在当今就更具有了战略性的研究意义。

现有一种应用于固态电池中的固态硫化物电解质，但是将固态电解 质直接与正极材料组装的方法会导致正极活性材料与硫化物电解质反 应，从而劣化电池性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种正极材料和正极片及其制备方法、锂离 子电池，以解决现有技术中存在的固态电解质会与正极活性材料反应的 问题。

为达到上述目的，第一方面，本发明采用如下技术方案：

一种正极材料，所述正极材料包括正极活性物质和包覆所述正极活 性物质的包覆层，所述包覆层用以将所述正极活性物质与正极中的电解 质相隔离。

优选地，所述正极活性物质的材料包括LiNiO₂、LiCoO₂、LiMn₂O₄或者LiNi_xCo_yMn_zO₂中的一种或者多种的混合物，其中，x+y+z＝1；和/ 或，

所述包覆层的材料包括TiNb₂O₇。

优选地，LiNi_xCo_yMn_zO₂所包覆的TiNb₂O₇的质量占比在10％至20％ 之间。

为达到上述目的，第二方面，本发明采用如下技术方案：

一种如上所述的正极材料的制备方法，对所述正极活性物质的材料 和所述包覆层的材料进行球磨，得到所述正极材料。

优选地，球磨的持续时长为4至8小时。

为达到上述目的，第三方面，本发明采用如下技术方案：

一种正极片的制备方法，包括：

采用如上所述的制备方法制备正极材料；

将所述正极材料、导电剂、粘结剂和电解质在溶剂中混合，形成浆 料；

在基材上涂布所述浆料，形成正极片。

优选地，所述正极材料的质量占比为60％至80％，导电剂、粘结剂 的质量占比为2％至10％，电解质的质量占比为5％至25％；和/或，

所述导电剂包括炭黑、乙炔黑、碳纳米管、气相生长碳纤维中的一 种或多种的混合物；和/或，

所述粘结剂包括聚偏二氟乙烯；和/或，

所述基材为铝箔；和/或，

所述溶剂包括N-甲基吡咯烷酮；和/或，

所述电解质包括LiX、Li₂S和P₂S₅，X为O、I、Cl或F；

优选地，LiX质量占比为5％至15％、Li₂S质量占比为55％至75％ 和P₂S₅的质量占比为15％至30％。。

为达到上述目的，第四方面，本发明采用如下技术方案：

一种正极片，由如上所述的制备方法制备形成。

为达到上述目的，第五方面，本发明采用如下技术方案：

一种锂离子电池，包括负极片、如上所述的正极片以及设置在所述 负极片和所述正极片之间的隔离膜。

优选地，所述隔离膜的材料包括LiX、Li₂S和P₂S₅，X为O、I、Cl 或F；

优选地，LiX质量占比为5％至15％、Li₂S质量占比为55％至75％ 和P₂S₅的质量占比为15％至30％。。

本发明提供的正极材料和正极片及其制备方法、锂离子电池，通过 设置包覆层将所述正极活性物质与正极中的电解质相隔离，防止了正极 活性物质与电解质发生反应，优化了电池性能，同时通过优化固态电解 质配比得到电导率优良的电解质，最终得到性能优异的固态锂离子电池。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它 目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出本发明提供的正极材料的示意图；

图2示出本发明提供的锂离子电池的截面图。

图中，1、正极活性物质；2、包覆层；3、正极片；4、负极片；5、 隔离膜。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些 实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部 分，为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没 有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说 明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、 “包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义； 也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用 于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的 描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本申请提供一种正极材料，如图1所示，所述正极材料包括正极活 性物质1和包覆所述正极活性物质1的包覆层2，所述包覆层2用以将 所述正极活性物质1与正极中的电解质相隔离，防止正极活性物质1与 电解质发生反应，优化了电池性能。所述正极活性物质1的材料包括 LiNiO₂、LiCoO₂、LiMn₂O₄或者LiNi_xCo_yMn_zO₂中的一种或者多种的混 合物，其中，x+y+z＝1，所述包覆层2的材料包括TiNb₂O₇。优选地， LiNi_xCo_yMn_zO₂所包覆的TiNb₂O₇的质量占比在10％至20％之间，例如 为8.5：1.5、8：2。之后，对所述正极活性物质1的材料和所述包覆层2 的材料进行球磨，球磨的持续时长为4至8小时，例如为4小时、5小 时、6小时、7小时、8小时，优选为6小时，得到所述正极材料。

本申请提供一种正极片3的制备方法，采用如上所述的制备方法制 备正极材料，然后将所述正极材料、导电剂、粘结剂和电解质在溶剂中 混合，形成浆料；在基材上涂布所述浆料，充分干燥并辊轧后形成正极 片3。其中，所述正极材料质量占比为60％至80％，导电剂、粘结剂的 质量占比为2％至10％，电解质的质量占比为5％至25％；，例如为 75:5:5:15；和/或，所述导电剂包括炭黑、乙炔黑、碳纳米管、气相生长 碳纤维中的一种或多种的混合物，；所述粘结剂包括聚偏二氟乙烯；所述 基材为铝箔；所述溶剂包括N-甲基吡咯烷酮；所述电解质包括LiX、Li₂S 和P₂S₅，X为O、I、Cl或F；优选地，LiX质量占比为5％至15％、Li₂S质量占比为55％至75％和P₂S₅的质量占比为15％至30％。，例如为 10:68:22。所述电解质通过优化配比，使得电导率提高，从而具有更优 异的导电性。

本申请提供一种正极片3，由如上所述的制备方法制备形成。

本申请提供一种锂离子电池，包括负极片4、如上所述的正极片3 以及设置在所述负极片4和所述正极片3之间的隔离膜5。

所述隔离膜5的材料包括电解质，所述电解质包括LiX、Li₂S和P₂S₅， X为O、I、Cl或F；优选地，LiX质量占比为5％至15％、Li₂S质量占 比为55％至75％和P₂S₅的质量占比为15％至30％，例如为10:68:22。将 所述电解质与所述粘结剂保持质量比为80：15至93：2的比例关系，例 如为90：5、93：2。分散搅拌在环己烷中，搅拌均匀后，涂覆在铝箔上， 充分干燥后得到隔离膜5。优选地，所述粘结剂为聚偏二氟乙烯。

进一步地，所述负极片4制备过程为：将负极活性材料、电解质、 导电剂、粘结剂混合均匀后涂覆在铜箔上，待充分干燥后，经辊轧得到 负极片4。其中，所述负极活性材料质量占比为60％至80％，导电剂、 粘结剂的质量占比为2％至10％，电解质的质量占比为5％至25％，例如 为75:5:5:15。所述负极活性材料可以是碳材料，如人造石墨、天然石墨、 软碳、硬碳、中间相微碳球，也可以是硅-碳，锡-碳复合材料等，所述 导电剂包括炭黑、乙炔黑、碳纳米管、气相生长碳纤维中的一种或多种 的混合物；所述粘结剂包括聚偏二氟乙烯；所述电解质包括LiX、Li₂S 和P₂S₅，X为O、I、Cl或F；优选地，LiX质量占比为5％至15％、Li₂S质量占比为55％至75％和P₂S₅的质量占比为15％至30％。，例如为 10:68:22。

最后，将所述隔离膜5置于正极片3和负极片4中间，通过加热加 压的方式使材料界面更好接触，所述正极片3、负极片4与隔离膜5组 合成三明治结构封装即得到固态锂离子电池。

本申请中通过优化固态电解质配比得到电导率优良的电解质，最终 得到性能优异的固态锂离子电池，本申请中的电解质电导率能够达到3.2 ×10^-3S/cm。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供了一种锂离子电池的制备方法，其包括如下步骤：

(1)制备正极材料：将LiNi_xCo_yMn_zO₂和TiNb₂O₇按照质量比为8.5： 1.5的比例混合，放入球磨机中，球磨6小时，得到正极材料。

(2)制备电解质：将Li₂O、Li₂S和P₂S₅按照质量比为10:68:22的 比例混合，

(3)制备正极片3：将炭黑与碳纳米管按照质量比为5:5混合形成 导电剂，将正极材料、导电剂、聚偏二氟乙烯、电解质按照质量比为 75:5:5:15的比例均匀混合在N-甲基吡咯烷酮中，形成浆料，将所述浆料 涂覆在铝箔上，充分干燥并辊轧后形成正极片3。

(4)制备负极片4：将天然石墨、电解质、导电剂、聚偏二氟乙烯 按照质量比为75：15：5：5的比例混合均匀后，涂覆在铜上，充分干燥 并辊轧后形成负极片4。

(5)制备隔离膜5：将电解质与聚偏二氟乙烯按照质量比为95：5 的比例关系，分散搅拌在环己烷中，然后涂覆在铝箔上，充分干燥即可。

(6)制备锂离子电池：将隔离膜5置于正极片3和负极片4之间， 通过加热加压的方式是材料界面更好的接触，所述正极片3、负极片4 与隔离膜5组合成三明治结构封装即得到固态锂离子电池。

实施例2

本实施例提供了一种锂离子电池的制备方法，其包括如下步骤：

(1)制备正极材料：将LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂和Li₂Nb₂O₈按照质量比 为8.5：1.5的比例混合，放入球磨机中，球磨6小时，得到正极材料。

(2)制备电解质：将LiCl、Li₂S和P₂S₅按照质量比为10:68:22的 比例混合，得到电解质。

(3)制备正极片3：将炭黑与气相生长碳纤维按照质量比为3：7 混合形成导电剂，将正极材料、导电剂、聚偏二氟乙烯、电解质按照质 量比为75:5:5:15的比例均匀混合在N-甲基吡咯烷酮中，形成浆料，将 所述浆料涂覆在铝箔上，充分干燥并辊轧后形成正极片3。

(4)制备负极片4：将硬碳、电解质、导电剂、聚偏二氟乙烯按照 质量比为75：15：5：5的比例混合均匀后，涂覆在铜上，充分干燥并辊 轧后形成负极片4。

(5)制备隔离膜5：将电解质与聚偏二氟乙烯按照质量比为95：5 的比例关系，分散搅拌在环己烷中，然后涂覆在铝箔上，充分干燥后得 到隔离膜5。

(6)制备锂离子电池：将隔离膜5置于正极片3和负极片4之间， 通过加热加压的方式是材料界面更好的接触，所述正极片3、负极片4 与隔离膜5组合成三明治结构封装即得到固态锂离子电池。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选 方案可以自由地组合、叠加。

应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏 离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做 出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范 围内。

Claims (10)

1.一种正极材料，其特征在于，所述正极材料包括正极活性物质(1)和包覆所述正极活性物质(1)的包覆层(2)，所述包覆层(2)用以将所述正极活性物质(1)与正极中的电解质相隔离。

2.根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述正极活性物质(1)的材料包括LiNiO₂、LiCoO₂、LiMn₂O₄或者LiNi_xCo_yMn_zO₂中的一种或者多种的混合物，其中，x+y+z＝1；和/或，

所述包覆层(2)的材料包括TiNb₂O₇。

3.根据权利要求2所述的正极材料，其特征在于，LiNi_xCo_yMn_zO₂所包覆的TiNb₂O₇的质量占比在10％至20％之间。

4.一种如权利要求1至3之一所述的正极材料的制备方法，其特征在于，对所述正极活性物质(1)的材料和所述包覆层(2)的材料进行球磨，得到所述正极材料。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，球磨的持续时长为4至8小时。

6.一种正极片(3)的制备方法，其特征在于，包括：

采用如权利要求4或5所述的制备方法制备正极材料；

将所述正极材料、导电剂、粘结剂和电解质在溶剂中混合，形成浆料；

在基材上涂布所述浆料，形成正极片(3)。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述正极材料的质量占比为60％至80％，导电剂、粘结剂的质量占比为2％至10％，电解质的质量占比为5％至25％；

所述导电剂包括炭黑、乙炔黑、碳纳米管、气相生长碳纤维中的一种或多种的混合物；和/或，

所述粘结剂包括聚偏二氟乙烯；和/或，

所述基材为铝箔；和/或，

所述溶剂包括N-甲基吡咯烷酮；和/或，

所述电解质包括LiX、Li₂S和P₂S₅，X为O、I、Cl或F；

优选地，LiX质量占比为5％至15％、Li₂S质量占比为55％至75％和P₂S₅的质量占比为15％至30％。

8.一种正极片(3)，其特征在于，由权利要求6或7所述的制备方法制备形成。

9.一种锂离子电池，其特征在于，包括负极片(4)、如权利要求8所述的正极片(3)以及设置在所述负极片(4)和所述正极片(3)之间的隔离膜(5)。

10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，所述隔离膜(5)的材料包括LiX、Li₂S和P₂S₅，X为O、I、Cl或F；

优选地，LiX质量占比为5％至15％、Li₂S质量占比为55％至75％和P₂S₅的质量占比为15％至30％。