CN111180734B - 一种锂离子电池复合正极的制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池复合正极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种锂离子电池复合正极的制备方法，其中包括制备包括长碳纤维的浆料a，包括短碳纤维的浆料b，然后按照一定配比混合浆料a和浆料b，得到第一浆料，第二浆料和第三浆料，再分别将不同的活性物质加入到第一、第二和第三浆料中，混合均匀得到第一活性物质浆料、第二活性物质浆料和第三活性物质浆料，按照顺序依次将第一活性物质浆料，第二活性物质浆料，第三活性物质浆料涂布在集流体上，得到所述锂离子电池复合正极。

Description

一种锂离子电池复合正极的制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池复合正极的制备方法。
背景技术
为了满足电动车对于动力电池的需求，现有技术领域中多采用复合正极作为动力型锂离子电池在正极，而现有技术中复合正极面临的问题是层间应力问题，以及层间电阻导致的倍率性能不理想的问题，本发明的实验人员经过长期研究发现，通过添加两种不同长度的碳纤维，能够形成结构化正极，通过两种碳纤维的含量配合活性物质在电极中的结构化改变，从而降低电极层间应力，降低层间电阻，增强电极的稳定性，提高电池寿命。
发明内容
本发明提供了一种锂离子电池复合正极的制备方法，其中包括制备包括长碳纤维的浆料a，包括短碳纤维的浆料b，然后按照一定配比混合浆料a和浆料b，得到第一浆料，第二浆料和第三浆料，再分别将不同的活性物质加入到第一、第二和第三浆料中，混合均匀得到第一活性物质浆料、第二活性物质浆料和第三活性物质浆料，按照顺序依次将第一活性物质浆料，第二活性物质浆料，第三活性物质浆料涂布在集流体上，得到所述锂离子电池复合正极。
具体的方案如下：
一种锂离子电池复合正极的制备方法，其中包括制备包括长碳纤维的浆料a，包括短碳纤维的浆料b，其中所述长碳纤维的平均长度为160-180μm，所述短碳纤维的平均长度为10-20μm，然后按照一定配比混合浆料a和浆料b，得到第一浆料，第二浆料和第三浆料，再分别将不同的活性物质加入到第一、第二和第三浆料中，混合均匀得到第一活性物质浆料、第二活性物质浆料和第三活性物质浆料，按照顺序依次将第一活性物质浆料，第二活性物质浆料，第三活性物质浆料涂布在集流体上，得到所述锂离子电池复合正极。
进一步的，其中所述第一活性物质浆料包括LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2作为活性物质、第二活性物质浆料包括LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2、LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2和LiFePO4作为活性物质、第三活性物质浆料包括LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2、和LiFePO4作为活性物质。
进一步的，所述长碳纤维和短碳纤维的平均直径为60-80nm。
进一步的，其特征在于：所述制备方法包括：
1)将粘结剂，分散剂加入到溶剂中，搅拌分散，再加入所述长碳纤维，搅拌分散，得到浆料a，其中所述粘结剂，分散剂和长碳纤维的重量比为3-5:3-5:8-10；
2)将粘结剂，分散剂加入到溶剂中，搅拌分散，再加入所述短碳纤维，搅拌分散，得到浆料b，其中所述粘结剂，分散剂和短碳纤维的重量比为3-5:3-5:8-10；
3)按照重量比，长碳纤维：短碳纤维＝1:3-1:4的比例混合浆料a和浆料b得到第一浆料，然后加入活性物质LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2，其中LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2的重量比为2:8-3:7，活性物质总量：长碳纤维和短碳纤维的总量＝100:8-10；搅拌分散，得到第一活性物质浆料；
4)按照重量比，长碳纤维：短碳纤维＝1:2-2:1的比例混合浆料a和浆料b得到第二浆料，然后加入活性物质LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2、LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2和LiFePO4，其中LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2、LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2和LiFePO4的重量比为2:2:1-4:3:3，活性物质总量：长碳纤维和短碳纤维的总量＝100:8-10；搅拌分散，得到第二活性物质浆料；
5)按照重量比，长碳纤维：短碳纤维＝3:1-4:1的比例混合浆料a和浆料b得到第三浆料，然后加入活性物质LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiFePO4，其中LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiFePO4的重量比为2:8-3:7，活性物质总量：长碳纤维和短碳纤维的总量＝100:8-10；搅拌分散，得到第三活性物质浆料；
6)在集流体上依次涂布第一活性物质浆料，第二活性物质浆料，第三活性物质浆料，干燥，热压后得到所述正极。
进一步的，其中涂布第一活性物质浆料，第二活性物质浆料，第三活性物质浆料的厚度比为2-6:4-8:1-2。
进一步的，步骤1中的搅拌分散速度低于步骤2中的搅拌分散速度。
进一步的，所述粘结剂选自聚偏氟乙烯，聚四氟乙烯。
进一步的，所述溶剂为N甲基吡咯烷酮。
进一步的，所述分散剂为羧甲基纤维素CMC。
本发明具有如下有益效果：
1)、通过添加特定长度的两种碳纤维，能够提高导电性的同时，提高材料层平面方向上的机械强度，缓解层间由于活性物质体积膨胀导致的层形变，缓解层间应力，并且结构化的分布长碳纤维和短碳纤维的分布，提高表层活性物质的稳固性；
2)从集流体朝向活性物质层表层方向，长碳纤维含量逐步增加，能够提高活性物质与电极的粘附性能，并且，能够抑制表层的应力形变，提高电极的循环寿命；短碳纤维具有较好的异向导电性，能够提高电极的倍率性能；
3)针对活性层不同的位置，设置不同的活性物质分布，能够兼顾电池具有较高的倍率性能和循环性能；
4)本发明的方法，通过分别将长、短碳纳米纤维分散，更有利于碳纤维的分散，优选但不限于长碳纤维使用低速转速分散，短碳纤维使用高速转速分散，然后再将两种浆料混合，配合生成不同含量比的碳纤维浆料，然后分别加入各自对活性物质，形成活性物质浆料，能够缩短分散时间，提高分散的均匀性。
具体实施方式
本发明下面将通过具体的实施例进行更详细的描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。第一活性材料为LiCo0.15Mn0.85O2，平均粒径为2.6μm；所述第二活性材料为LiMn0.1Fe0.9PO4，平均粒径为1.3μm；所述第三活性材料为LiNi0.3Co0.3Mn0.4O2，平均粒径为2.3μm。
实施例1
1)将PVDF，CMC加入到NMP中，120r/min搅拌分散，再加入所述长碳纤维，120r/min搅拌分散，得到浆料a，所述长碳纤维的平均长度为160μm，平均直径为60nm，其中所述PVDF，CMC和长碳纤维的重量比为3:3:8；
2)将PVDF，CMC加入到NMP中，200r/min搅拌分散，再加入所述短碳纤维，200r/min搅拌分散，得到浆料b，所述短碳纤维的平均长度为10μm，平均直径为60nm，其中所述PVDF，CMC和短碳纤维的重量比为3:3:8；
3)按照重量比，长碳纤维：短碳纤维＝1:3的比例混合浆料a和浆料b得到第一浆料，然后加入活性物质LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2，其中LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2的重量比为2:8，活性物质总量：长碳纤维和短碳纤维的总量＝100:8；120r/min搅拌分散，得到第一活性物质浆料；
4)按照重量比，长碳纤维：短碳纤维＝1:2的比例混合浆料a和浆料b得到第二浆料，然后加入活性物质LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2、LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2和LiFePO4，其中LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2、LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2和LiFePO4的重量比为2:2:1，活性物质总量：长碳纤维和短碳纤维的总量＝100:8；120r/min搅拌分散，得到第二活性物质浆料；
5)按照重量比，长碳纤维：短碳纤维＝3:1的比例混合浆料a和浆料b得到第三浆料，然后加入活性物质LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiFePO4，其中LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiFePO4的重量比为2:8，活性物质总量：长碳纤维和短碳纤维的总量＝100:8；120r/min搅拌分散，得到第三活性物质浆料；
6)在集流体上依次涂布第一活性物质浆料，第二活性物质浆料，第三活性物质浆料，干燥，热压后得到所述正极，其中涂布第一活性物质浆料，第二活性物质浆料，第三活性物质浆料的厚度比为2:4:1，总厚度为100μm。
实施例2
1)将PVDF，CMC加入到NMP中，120r/min搅拌分散，再加入所述长碳纤维，120r/min搅拌分散，得到浆料a，所述长碳纤维的平均长度为180μm，平均直径为80nm，其中所述PVDF，CMC和长碳纤维的重量比为5:5:10；
2)将PVDF，CMC加入到NMP中，200r/min搅拌分散，再加入所述短碳纤维，200r/min搅拌分散，得到浆料b，所述短碳纤维的平均长度为20μm，平均直径为80nm，其中所述PVDF，CMC和短碳纤维的重量比为5:5:10；
3)按照重量比，长碳纤维：短碳纤维＝1:4的比例混合浆料a和浆料b得到第一浆料，然后加入活性物质LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2，其中LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2的重量比为3:7，活性物质总量：长碳纤维和短碳纤维的总量＝100:10；120r/min搅拌分散，得到第一活性物质浆料；
4)按照重量比，长碳纤维：短碳纤维＝2:1的比例混合浆料a和浆料b得到第二浆料，然后加入活性物质LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2、LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2和LiFePO4，其中LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2、LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2和LiFePO4的重量比为4:3:3，活性物质总量：长碳纤维和短碳纤维的总量＝100:10；120r/min搅拌分散，得到第二活性物质浆料；
5)按照重量比，长碳纤维：短碳纤维＝4:1的比例混合浆料a和浆料b得到第三浆料，然后加入活性物质LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiFePO4，其中LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiFePO4的重量比为3:7，活性物质总量：长碳纤维和短碳纤维的总量＝100:10；120r/min搅拌分散，得到第三活性物质浆料；
6)在集流体上依次涂布第一活性物质浆料，第二活性物质浆料，第三活性物质浆料，干燥，热压后得到所述正极，其中涂布第一活性物质浆料，第二活性物质浆料，第三活性物质浆料的厚度比为3:4:1，总厚度为100μm。
实施例3
1)将PVDF，CMC加入到NMP中，120r/min搅拌分散，再加入所述长碳纤维，120r/min搅拌分散，得到浆料a，所述长碳纤维的平均长度为170μm，平均直径为70nm，其中所述PVDF，CMC和长碳纤维的重量比为4:4:9；
2)将PVDF，CMC加入到NMP中，200r/min搅拌分散，再加入所述短碳纤维，200r/min搅拌分散，得到浆料b，所述短碳纤维的平均长度为15μm，平均直径为70nm，其中所述PVDF，CMC和短碳纤维的重量比为4:4:9；
3)按照重量比，长碳纤维：短碳纤维＝2:7的比例混合浆料a和浆料b得到第一浆料，然后加入活性物质LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2，其中LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2的重量比为1:3，活性物质总量：长碳纤维和短碳纤维的总量＝100:9；120r/min搅拌分散，得到第一活性物质浆料；
4)按照重量比，长碳纤维：短碳纤维＝1:1的比例混合浆料a和浆料b得到第二浆料，然后加入活性物质LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2、LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2和LiFePO4，其中LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2、LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2和LiFePO4的重量比为8:7:5，活性物质总量：长碳纤维和短碳纤维的总量＝100:9；120r/min搅拌分散，得到第二活性物质浆料；
5)按照重量比，长碳纤维：短碳纤维＝7:2的比例混合浆料a和浆料b得到第三浆料，然后加入活性物质LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiFePO4，其中LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiFePO4的重量比为1:3，活性物质总量：长碳纤维和短碳纤维的总量＝100:9；120r/min搅拌分散，得到第三活性物质浆料；
6)在集流体上依次涂布第一活性物质浆料，第二活性物质浆料，第三活性物质浆料，干燥，热压后得到所述正极，其中涂布第一活性物质浆料，第二活性物质浆料，第三活性物质浆料的厚度比为8:12:3，总厚度为100μm。
对比例1
加入的长碳纳米管的长度为120μm，短碳纳米管的长度为100μm，其他参数与实施例1相同。
对比例2
步骤3-5中，按照长碳纳米管：短碳纳米管＝1:1的比例配制浆料，其他参数与实施例1相同。
对比例3
活性物质选择LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2，其他参数与实施例1相同。
对比例4
活性物质选择LiFePO4，，其他参数与实施例1相同。
对比例5
将三种活性物质浆料按照1:1:1混合得到混合浆料，涂布在集流体上，干燥，热压后得到所述正极，所述电极材料层的厚度为100μm，其他参数与实施例1相同。
测试及结果
将实施例1-3和对比例1-5的电极与锂片对电极组成试验电池，电解液包括导电盐为浓度为1.0mol/L的六氟磷酸锂，体积比1:1的EC/EMC混合溶剂，测量在1C倍率下循环100次和200次的容量保持率见表1。由表1可见，经过本发明长短碳纳米纤维共混后结构性添加对于复合电极的效果较为明显，其中含量随结构变化的设置方式，以及碳纳米纤维结构参数对于电极的影响非常明显。
表1
Figure BDA0002356863970000091
Figure BDA0002356863970000101
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但是应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种锂离子电池复合正极的制备方法，所述制备方法包括：
1)将粘结剂，分散剂加入到溶剂中，搅拌分散，再加入长碳纤维，所述长碳纤维的平均长度为160-180μm，搅拌分散，得到浆料a，其中所述粘结剂，分散剂和长碳纤维的重量比为3-5:3-5:8-10；
2)将粘结剂，分散剂加入到溶剂中，搅拌分散，再加入短碳纤维，所述短碳纤维的平均长度为10-20μm，搅拌分散，得到浆料b，其中所述粘结剂，分散剂和短碳纤维的重量比为3-5:3-5:8-10；
3)按照重量比，长碳纤维：短碳纤维＝1:3-1:4的比例混合浆料a和浆料b得到第一浆料，然后加入活性物质LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2，其中LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2的重量比为2:8-3:7，活性物质总量：长碳纤维和短碳纤维的总量＝100:8-10；搅拌分散，得到第一活性物质浆料；
4)按照重量比，长碳纤维：短碳纤维＝1:2-2:1的比例混合浆料a和浆料b得到第二浆料，然后加入活性物质LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2、LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2和LiFePO4，其中LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2、LiNi0.4Mn0.3Co0.3O2和LiFePO4的重量比为2:2:1-4:3:3，活性物质总量：长碳纤维和短碳纤维的总量＝100:8-10；搅拌分散，得到第二活性物质浆料；
5)按照重量比，长碳纤维：短碳纤维＝3:1-4:1的比例混合浆料a和浆料b得到第三浆料，然后加入活性物质LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiFePO4，其中LiNi0.2Mn0.6Co0.2O2和LiFePO4的重量比为2:8-3:7，活性物质总量：长碳纤维和短碳纤维的总量＝100:8-10；搅拌分散，得到第三活性物质浆料；
6)在集流体上依次涂布第一活性物质浆料，第二活性物质浆料，第三活性物质浆料，干燥，热压后得到所述正极。
2.如权利要求1所述的制备方法，所述长碳纤维和短碳纤维的平均直径为60-80nm。
3.如权利要求1所述的方法，其中涂布第一活性物质浆料，第二活性物质浆料，第三活性物质浆料的厚度比为2-6:4-8:1-2。
4.如权利要求1所述的方法，步骤1中的搅拌分散速度低于步骤2中的搅拌分散速度。
5.如权利要求1所述的方法，所述粘结剂选自聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。
6.如权利要求1所述的方法，所述溶剂为N甲基吡咯烷酮。
7.如权利要求1所述的方法，所述分散剂为羧甲基纤维素CMC。
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