CN111312992A - 二次电池用多功能复合正极片、制备方法及二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能复合正极片及其制备方法，以及二次电池，该多功能复合正极片包括正极集流体层和正极活性物质层，正极活性物质层包括多个正极活性物质组件，正极活性物质组件由正极活性材料、粘结剂和导电添加剂制得，多个正极活性物质组件以二维叠层结构或三维堆垛结构分布在正极集流体层和隔膜之间，多个正极活性物质组件的物理性质不同或化学组成不同。本发明通过对正极活性物质层进行结构设计，充分发挥不同正极活性物质组件的功能，克服了现有技术中正极活性物质层结构单一，功能存在短板的缺陷，得到了兼顾安全性、倍率特性、高低温特性、服役寿命、循环寿命等综合优异性能的多功能复合正极片及二次电池。

Description

二次电池用多功能复合正极片、制备方法及二次电池
技术领域
本发明属于电化学储能器件与新能源材料领域，涉及一种二次电池用多功能复合正极片、制备方法及二次电池。
背景技术
目前商用的二次电池，以锂离子二次电池为例，电池主要由正极片、隔膜、负极片通过卷绕、叠片等物理方式结合，然后装入封装材料中注入工作电解质制成。这种操作方式便捷，便于工业化及大规模自动化生产，是目前主流的锂离子电池制成方式。
近年来，随着世界范围新能源汽车、规模化储能、国防安全及航空航天等领域的快速发展，各领域对电池性能的要求越来越高，以新能源汽车为例，我国在新能源汽车方面以电池能量密度及续航里程为参考依据，对新能源汽车进行补贴。能量密度越高，续航里程越远的车型，所获得的补贴额度越高。为了提升车辆续航，电池供应商在逐步设计提升电池的能量密度，其中最直接最有效的方式是采用高能量密度的正极活性材料，如高镍正极活性材料，这类正极活性材料的使用虽然可以显著提高电池的能量密度，但由于高能量密度的正极活性材料满电态热分解温度较低，安全性较差，在提升电池能量密度的同时，无法有效保障电池的安全性。此外，在一些特殊领域，如军工国防，无人机，极低温等工况条件下，传统的锂离子电池在综合性能保障方面也存在不足。
为解决上述安全性问题，各电池厂、车企在电池结构刚性化、电池管理系统设计方面做了大量工作，以确保电池在出现故障的情况下，不至于引起驾驶人人身安全问题，但效果有限，此外，上述措施主要以预防和隔离为主，没有从源头上提供电池安全性的解决方案。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种多功能复合正极片，该多功能复合正极片包括正极集流体层和正极活性物质层，所述正极活性物质层包括多个正极活性物质组件，所述正极活性物质组件包括正极活性材料，其中多个正极活性物质组件以二维叠层结构或三维堆垛结构分布在正极集流体层和隔膜之间，多个正极活性物质组件的物理性质不同或化学组成不同。本发明通过对正极活性物质层进行结构设计，充分发挥不同正极活性物质组件的功能，克服了现有技术中正极活性物质层结构单一，功能存在短板的缺陷，得到了兼顾安全性、倍率特性、高低温特性、服役寿命、循环寿命等综合优异性能的多功能复合正极片及二次电池，从而完成本发明。
本发明的目的一方面在于提供一种多功能复合正极片，所述多功能复合正极片包括正极集流体层和正极活性物质层，所述正极活性物质层包括两种以上正极活性物质组件，所述正极活性物质组件包括正极活性材料。
其中，所述正极活性材料为可用于锂离子、钠离子、镁离子、铝离子二次电池的正极材料中的至少一种，优选选自由钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸铁锰锂、镍锰酸锂、钠铁铜锰氧化合物、普鲁士蓝、磷酸钒钠、磷酸钛钠中的至少一种，
所述正极集流体层基材由耐氧化性金属箔材或合金构成，优选选自铝箔、镍箔、钛箔、铁箔及其合金中的至少一种。
其中，所述正极活性物质层中的正极活性物质组件以二维叠层结构分布在正极集流体层和隔膜之间。
其中，所述正极活性物质层中的正极活性物质组件以三维堆垛结构分布在正极集流体层和隔膜之间。
其中，多个正极活性物质组件中的正极活性材料相同，所述正极活性材料的浓度不同。
其中，所述正极活性材料的浓度呈梯度变化，优选地，所述多个正极活性物质组件中的正极活性材料的浓度呈梯度变化，更优选地，所述正极活性材料的浓度由正极集流体层至隔膜方向逐渐减小。
其中，多个正极活性物质组件中的正极活性材料不同。
其中，所述三维堆垛结构分布为多个正极活性物质组件呈三维规则或不规则分布，优选为等间隔结构分布或三维叉齿结构分布，
所述三维叉齿结构分布优选为齿形阵列结构分布，更优选为矩形齿阵列式分布、三角齿阵列式分布或梯形齿阵列式分布中的至少一种。
本发明的另一方面提供一种多功能复合正极片的制备方法，所述方法包括：在正极集流体层上制备正极活性物质层；优选地，所述正极活性物质层由正极活性物质组件通过喷涂、间隔涂布、带掩模结构的溅射、辊压、脉冲激光沉积、化学气相沉积、原子层沉积、电化学沉积、3D打印等中的一种或几种方式形成。
本发明的再一方面提供一种包含本发明第一方面所述的多功能复合正极片的二次电池。
本发明所具有的有益效果为：
(1)本发明提供的多功能复合正极片的正极活性物质层包括多个正极活性物质组件，多个正极活性物质组件的物理性能或化学组成不同，从而增强了正极片的功能；
(2)本发明通过设计多个正极活性物质组件为二维层状堆叠分布方式，克服单一组分的功能缺陷，使得最终制备的二次电池具有优异的倍率特性、循环寿命长、能量密度高的优点；
(3)本发明通过设计多个正极活性物质组件为三维堆垛结构设计，增大正极活性物质组件之间的接触面积，增强粘结力，增大了不同活性物质组件与电解液之间的接触面积，从而进一步提高电池的倍率特性；
(4)本发明所提供多功能复合正极片及包含其的二次电池，克服了现有正极片正极活性物质层组分单一，功能单一的缺陷，得到了综合性能优异的多功能复合正极片及二次电池，如具有功率密度高、能量密度高、低温放电倍率性能好、高温循环寿命长、安全性高等优点，适于大规模推广。
附图说明
图1示出二次电池工作原理示意图；
图2示出二次电池的结构示意图；
图3示出本发明对比例1所得正极片的结构示意图；
图4示出本发明实施例1所得多功能复合正极片的结构示意图；
图5示出本发明实施例2所得多功能复合正极片的结构示意图；
图6示出本发明实施例3所得多功能复合正极片的结构示意图；
图7示出本发明实施例4所得多功能复合正极片的结构示意图；
图8示出本发明实施例5所得多功能复合正极片的结构示意图；
图9示出本发明实施例6所得多功能复合正极片的结构示意图；
图10示出本发明实验例1所得倍率特性曲线；
图11示出本发明实验例2所得循环特性曲线。
附图标号说明：
100-正极片；
101-正极集流体层；
102-正极活性物质层；
1021-第一正极活性物质组件；
1021’-第一矩形齿；
1022’-第二矩形齿；
1022-第二正极活性物质组件；
1023-第三正极活性物质组件；
1024-第四正极活性物质组件；
102n-第n正极活性物质组件；
200-隔膜；
300-负极片；
301-负极集流体层；
302-负极活性物质层。
具体实施方式
下面通过附图和优选实施方式对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
如图1所示，为锂离子二次电池的基本工作原理图，充电时，锂离子从正极片活性物质层中的正极材料颗粒内部通过扩散方式达到颗粒表面，随后通过表面迁移及液态电解质的输送，穿过多孔隔膜后，达到负极片活性物质层负极材料颗粒表面，与此同时，电子从正极活性材料颗粒中经由正极集流体铝箔及外电路输运到负极颗粒表面，与正极迁移过来的锂离子复合后扩散至负极材料颗粒内部，完成充电过程；放电过程则正好相反。
在上述电池工作原理中，正极集流体，负极集流体分别承担支撑电极活性物质层及传导电子功能，充电时，正极活性物质层提供锂离子，液态电解质承担电池内部离子的输运功能，隔膜承担隔离正极片与负极片功能，负极活性物质层主要用于储存由正极过来的电子与离子。
图2展示了二次电池的基本结构示意图，主要包含四大部分，正极片100、隔膜200、负极片300及浸润其中的液态电解质。其中正极片100由正极集流体层101及正极活性物质层102构成，如图3所示为正极片100的结构示意图，隔膜200由有机高分子材料构成，负极片300由负极集流体层301及负极活性物质层302构成，液态电解质在干燥惰性气氛中通过负压形式注入到二次电池中。
根据本发明，提供一种二次电池用多功能复合正极片，该多功能复合正极片包括正极集流体层101和正极活性物质层102。
本发明中的多功能复合正极片适用于但不限于锂离子、钠离子、镁离子、铝离子等基于液态电解质为工作介质的二次电池。
根据本发明，正极集流体层101基材为耐氧化性金属箔材或合金，优选为铝箔、镍箔、钛箔、铁箔及其合金等中的至少一种，例如铝箔。
根据本发明，正极集流体层101基材的厚度为8～25μm，优选为10～20μm，更优选为16μm。
本发明人发现，现有正极片活性物质层组分单一，不能兼顾电池实际使用中的各种要求，如功率密度、能量密度、低温放电倍率、高温循环寿命、安全性等综合指标的要求。例如，磷酸铁锂的具有优异的循环寿命，但导电性及倍率性能比较差，而钴酸锂的倍率特性较好，本发明发现，将磷酸铁锂和钴酸锂复合制备正极活性物质，可有效解决电池倍率放电问题，同时可兼顾电池的长循环寿命要求。
根据本发明，正极活性物质层102包括多个(两个以上)正极活性物质组件，多个正极活性物质组件的物理性质不同或化学组成不同。
根据本发明，正极活性物质层102的厚度为50～200μm，优选为70～150μm，更优选为110μm。
根据本发明，正极活性物质组件由正极活性材料、粘结剂和导电剂制得，优选地，正极活性材料、粘结剂和导电剂经过物理接触或化学键作用方式结合。
根据本发明，正极活性物质组件中，正极活性材料的质量分数(浓度)为80％-99.6％，粘结剂为0.2％-10.0％，导电剂为0.2％-10.0％。
根据本发明优选的实施方式，正极活性材料为可用于锂离子、钠离子、镁离子、铝离子二次电池的正极活性材料中的至少一种，优选地，正极活性材料选自钴酸锂、镍钴铝酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸铁锰锂、镍锰酸锂、钠铁铜锰氧化合物、普鲁士蓝、磷酸钒钠、磷酸钛钠等中的至少一种，优选选自磷酸铁锂、钴酸锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂中的一种或几种。
根据本发明一种优选的实施方式，多个正极活性物质层中的正极活性物质组件以二维叠层结构分布在正极集流体层和隔膜之间。
根据本发明另一种优选的实施方式，多个正极活性物质层中的正极活性物质组件以三维堆垛结构分布在正极集流体层和隔膜之间。
根据本发明一种优选的实施方式，多个正极活性物质组件为二维叠层结构分布或三维堆垛结构分布时，多个正极活性物质组件中的正极活性材料的种类相同，正极活性材料的质量分数(浓度)不同。
根据本发明另一种优选的实施方式，多个正极活性物质组件为二维叠层结构分布或三维堆垛结构分布时，多个正极活性物质组件中的正极活性材料的种类不同。
根据本发明优选的实施方式，多个正极活性物质组件为二维叠层结构分布时，多个正极活性物质组件中的正极活性材料不同，多个正极活性物质组件呈梯度结构分布，优选地，多个正极活性物质组件中的正极活性材料的浓度呈梯度变化，更优选地，由正极集流体层至隔膜的方向上，多个正极活性物质组件按照其所包含的正极活性材料的质量分数(浓度)逐渐减小或由高至低逐渐减小。
根据本发明优选的实施方式，正极活性物质层中，不同正极活性物质组件可为二维层状分布的方式结合，优选地，正极活性物质组件以堆叠的方式结合，每层正极活性物质组件的厚度均匀，例如二维双层叠层结合、二维多层叠层结合。
根据本发明优选的实施方式，正极活性物质层中，不同正极活性物质组件中的正极活性材料的种类不同，正极活性物质层中不同正极活性物质组件可通过二维叠层结构或三维堆垛结构分布。
根据本发明一种优选的实施方式，正极活性物质层中，含不同正极活性材料种类的不同正极活性物质组件以二维层状分布，即不同活性物质组件二维叠层分布堆叠在正极集流体层上，如二维双层叠层分布、二维多层叠层分布，优选地，各正极活性物质组件的厚度均匀，更优选地，各正极活性物质组件的厚度相同或不同，各正极活性物质组件的厚度根据实际需要进行设计。
根据本发明另一种优选的实施方式，正极活性物质层中，含不同正极活性材料种类的多个正极活性物质组件以三维堆垛方式结合，三维堆垛方式为三维规则结构或三维不规则结构。
根据本发明优选的实施方式，多个(如两个)正极活性物质组件为三维叉齿结构分布或等间隔结构分布，三维叉齿结构分布优选为齿形阵列结构分布。
根据本发明优选的实施方式，多个正极活性物质组件在正极集流体层上交替分布或等间隔结构分布，即多个正极活性物质组件分别与正极集流体层交替接触，等间隔分布如等间隔矩形分布、等间隔梯形分布或等间隔三角形分布。其中，矩形、梯形、三角形为正极活性物质组件的截面形状。
根据本发明一种优选的实施方式，不同正极活性物质组件呈齿形阵列结构分布，从而使得两种正极活性物质组件之间的活性物质层接触面积增大，增强不同正极活性组件间的粘结力，同时，也能扩大正极活性物质层与电解液之间的接触面积，提升正极活性材料的电化学性能，进而提高电池的倍率特性。
根据本发明优选的实施方式，三维叉齿结构分布(齿形阵列结构分布)优选为矩形齿阵列式、三角齿阵列式、梯形齿阵列式等中的一种或几种。
根据本发明优选的实施方式，粘结剂为可用于二次电池正极活性材料粘结剂的有机高分子材料，优选地，粘结剂选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯酸甲酯等中的一种或几种。
根据本发明优选的实施方式，导电添加剂为碳材料，优选选自炭黑、碳纳米管、石墨烯、乙炔黑、科琴黑等中的至少一种。
本发明提供一种多功能复合正极片的制备方法，该方法包括：在正极集流体层上制备正极活性物质层，
优选地，所述正极活性物质层由正极活性物质组件通过喷涂、间隔涂布(如等间隔挤压式涂布)、带掩模结构的溅射(掩模版溅射)、辊压、脉冲激光沉积、化学气相沉积、原子层沉积、电化学沉积、3D打印等中一种或几种方式形成。
根据本发明一种优选的实施方式，多功能复合正极片的制备过程：正极活性材料、导电添加剂和粘结剂混合制备成浆料，将浆料涂布在正极集流体层上，烘干，由此，得到第一活性物质组件与正极集流体层形成的极片，根据正极活性物质组件结构设计，在极片上形成其他活性物质组件，得到多功能复合正极片；
优选地，按质量比称取正极活性材料、导电添加剂和粘结剂，并逐步加入到溶剂(如NMP)中，控制固含量为40％～60％，搅拌均匀，得到混合浆料，将混合浆料涂布于正极集流体层上，根据正极活性物质层的结构设计，形成其他活性物质组件，由此，得到多功能复合正极片，例如具有二维叠层结构或等间隔(矩形)分布结构的正极活性物质组件可通过喷涂、等间隔挤压式涂布、辊压等方式得到。
根据本发明另一种优选的实施方式，多功能复合正极片的制备过程：正极活性材料、导电添加剂和粘结剂按质量比混合，形成干粉混合物，将干粉混合物沉积至正极集流体层(或其他正极活性物质组件)上，得到第一正极活性物质组件与正极集流体层形成的极片，根据正极活性物质层的结构设计，在该极片上形成其他正极活性物质组件，得到多功能复合正极片。例如，齿形阵列结构可通过间隔涂布、带掩模结构的溅射、辊压、脉冲激光沉积、化学气相沉积、原子层沉积、电化学沉积、3D打印等方式得到。
本发明提供一种包含多功能复合正极片的二次电池，该二次电池包括所述多功能复合正极片、隔膜、负极片，正极片、隔膜和负极片通过卷绕、叠层等物理方式组合在一起，装入封装材料中注入电解液制得所述二次电池，优选地，隔膜和负极片为本领域常规的负极片和隔膜。
根据本发明，隔膜的厚度为8～40μm，优选为16～20μm。
本发明所提供的多功能复合正极片，通过对正极活性物质层的结构进行设计，设计为二维叠层结构或三维堆垛结构，克服了现有正极活性物质层结构组分单一，功能单一的缺点，改善了传统二次电池中设计不足，得到了综合性能优异的多功能复合正极片及二次电池，如具有功率密度高、能量密度高、低温放电倍率性能好、高温循环寿命长、安全性高等优点，适于大规模推广。
根据本发明，该二次电池具有较高的放电平台和平均放电电压，优异的倍率性能和循环性能。例如，经过50次循环后，包含多功能复合正极片的二次电池的容量保持率比传统正极片制备的二次电池的容量保持率高2％以上)。
实施例
实施例1
一种多功能复合正极片，包括正极集流体层101和正极活性物质层，其中，正极集流体层101为铝箔，正极活性物质层包括第一正极活性物质组件1021和第二正极活性物质组件1022，第一正极活性物质组件1021的正极活性材料为磷酸铁锂，质量分数为93％，粘结剂为聚偏氟乙烯，质量分数为3％，导电添加剂为炭黑，质量分数为4％，第二正极活性物质组件1022的正极活性材料为钴酸锂，质量分数为97％，粘结剂为聚偏氟乙烯，质量分数为1.5％，导电添加剂为炭黑，质量分数为1.5％。第一正极活性物质组件1021和第二正极活性物质组件1022在正极集流体层101上等间隔矩形分布，如图4所示。
该多功能复合正极片的制备过程为：
(1)将磷酸铁锂、聚偏氟乙烯、炭黑按照93：3：4的质量比称取，并逐步添加至NMP溶剂中，控制固含量为50％，搅拌均匀得到混合浆料，然后采用自动涂布机将混合浆料均匀等间隔的涂布于铝箔上，得到极片，烘干待用；
(2)将钴酸锂、聚偏氟乙烯、炭黑按照97：1.5：1.5的质量比称取，并逐步添加至NMP溶剂中，控制固含量为50％，搅拌均匀得到混合浆料，然后采用自动涂布机将混合浆料均匀的涂布于(1)中铝箔上的等间隔留白区域，烘干，得到多功能复合正极片。
实施例2
一种多功能复合正极片，包括正极集流体层101和正极活性物质层，其中，正极集流体层101为铝箔，正极活性物质层包括n个正极活性物质组件，正极活性物质组件中的正极活性材料相同，正极活性材料均为磷酸铁锂，但各个正极活性物质组件中磷酸铁锂的质量分数不同，n个正极活性物质组件呈二维层状结构分布，由正极集流体层101至隔膜方向依次为第一正极活性物质组件1021(磷酸铁锂质量分数为97％，粘结剂为聚偏氟乙烯，质量分数为1.5％，导电添加剂为炭黑，质量分数为1.5％)，第二正极活性物质组件1022(磷酸铁锂质量分数为95％，粘结剂为聚偏氟乙烯，质量分数为2％，导电添加剂为炭黑，质量分数为3％)，……，第n正极活性物质组件102n(其中n＝5)，如图5所示。
该多功能复合正极片制备过程为：
(1)根据第一正极活性组件1021，按照质量比为97：1.5：1.5分别称取磷酸铁锂、聚偏氟乙烯和炭黑，并逐步添加至NMP溶剂中，控制固含量为60％，搅拌均匀后得到浆料，使用自动涂布机将浆料均匀连续的涂布于铝箔上，得到极片，烘干待用；
(2)根据第二个活性物质组件1022，按照质量比95：2：3分别称取磷酸铁锂、聚偏氟乙烯和炭黑，并逐步添加至NMP溶剂中，控制固含量为60％，搅拌均匀后得到浆料，使用自动涂布机将浆料均匀连续的涂布于(1)中烘干的极片上层，烘干待用；…
(n)根据第n个正极活性物质组件102n，按照质量比分别称取磷酸铁锂、聚偏氟乙烯和炭黑，并逐步添加至NMP溶剂中，控制固含量为60％，搅拌均匀后得到浆料，使用自动涂布机将浆料均匀连续的涂布于(n-1)中烘干的极片上层，烘干，得到多功能复合正极片。
实施例3
一种多功能复合正极片，包括正极集流体层101和正极活性物质层102，其中，正极集流体层101为铝箔，正极活性物质层包括n个正极活性物质组件，n个正极活性物质组件中的正极活性材料相同，正极活性材料为镍钴锰酸锂，n个正极活性物质组件呈连续梯度结构分布，由正极集流体层101至隔膜方向(图中箭头所指方向)依次为第一正极活性物质组件1021，第二正极活性物质组件1022，第三正极活性物质组件1023，第四活性物质组件1024，……，第n正极活性物质组件102n，正极活性材料的质量分数(浓度)呈梯度变化，由第一至第n活性组件中镍钴锰酸锂的浓度逐渐变小，其中，n＝5，第一正极活性物质组件中镍钴锰酸锂的浓度为97wt％，粘结剂为聚偏氟乙烯，质量分数为1.5％，导电添加剂为炭黑，质量分数为1.5％，如图6所示。
该多功能复合正极片制备过程为：
(1)根据第一正极活性组件1021，按照质量比为97：1.5：1.5分别称取镍钴锰酸锂、聚偏氟乙烯和炭黑，并逐步添加至NMP溶剂中，控制固含量为50％，搅拌均匀后得到浆料，使用自动涂布机将浆料均匀连续的涂布于铝箔上，得到极片，烘干待用；…..
(n)根据第n个活性物质组件102n，按照质量比分别称取镍钴锰酸锂、聚偏氟乙烯和炭黑(其中镍钴锰酸锂的质量分数呈梯度减小)，并逐步添加至NMP溶剂中，控制固含量为50％，搅拌均匀后得到浆料，使用自动涂布机将浆料均匀连续的涂布于(n-1)中烘干的极片上层，烘干，得到多功能复合正极片。
实施例4
一种多功能复合正极片，包括正极集流体层101和正极活性物质层，其中，正极集流体层101为铝箔，正极活性物质层包括2个正极活性物质组件，分别为第一正极活性物质组件1021和第二正极活性物质组件1022，2个正极活性物质组件内含不同正极活性材料，第一正极活性物质组件1021中的正极活性材料为磷酸铁锂(磷酸铁锂质量分数为90％)，粘结剂为聚偏氟乙烯，质量分数为5％，导电添加剂为炭黑，质量分数为5％，第二正极活性物质组件1022的正极活性材料为钴酸锂(钴酸锂质量分数为97％)，粘结剂为聚偏氟乙烯，质量分数为1.5％，导电添加剂为炭黑，质量分数为1.5％，第一正极活性物质组件1021与第二正极活性物质组件1022在正极集流体层101上呈矩形齿阵列式结构分布，第一正极活性物质组件1021的第一矩形齿1021’与第二正极活性物质组件1022的第二矩形齿1022’交替排列，呈矩形齿阵列式结构分布，如图7所示。
该多功能正极片的制备过程：
(1)根据第一正极活性物质组件1021，按照90:5:5的质量比称取磷酸铁锂、聚偏氟乙烯和炭黑，混合，得到活性物质混合物，采用掩模版溅射法，将混合物与高分子助烧结剂烧结，得到靶材，按照矩形齿阵列式结构，将靶材中的混合物溅射沉积至铝箔上，待用；
(2)根据第二正极活性物质组件1022，按照97:1.5:1.5的质量比称取钴酸锂、聚偏氟乙烯和炭黑，混合，得到活性物质混合物，采用掩模版溅射法，将混合物与高分子助烧结剂烧结，得到靶材，按照矩形齿阵列式结构，将靶材中的混合物溅射沉积至(1)中极片上，得到具有矩形齿阵列式结构的多功能复合正极片。
实施例5
一种多功能复合正极片，包括正极集流体层101和正极活性物质层，其中，正极集流体层101为铝箔，正极活性物质层包括2个正极活性物质组件，分别为第一正极活性物质组件1021和第二正极活性物质组件1022，2个正极活性物质组件内含不同正极活性材料，第一正极活性物质组件1021中的正极活性材料为磷酸铁锂，(磷酸铁锂质量分数为80％)，粘结剂为聚偏氟乙烯，质量分数为10％，导电添加剂为炭黑，质量分数为10％，第二正极活性物质组件1022的正极活性材料为钴酸锂，(钴酸锂质量分数为80％)，粘结剂为聚偏氟乙烯，质量分数为10％，导电添加剂为炭黑，质量分数为10％，第一正极活性物质组件1021与第二正极活性物质组件1022在正极集流体层101上呈三角齿阵列式结构分布，如图8所示。
该多功能正极片的制备过程：
(1)根据第一正极活性物质组件1021，按照80:10:10的质量比称取磷酸铁锂、聚偏氟乙烯和导电添加剂，混合，得到活性物质混合物，采用掩模版溅射法，将混合物与高分子助烧结剂烧结，得到靶材，按照三角齿阵列式结构，将靶材中的混合物溅射沉积至铝箔上，待用；
(2)根据第二正极活性物质组件1022，按照80:10:10的质量比称取钴酸锂、聚偏氟乙烯和导电添加剂，混合，得到活性物质混合物，采用掩模版溅射法，将混合物与高分子助烧结剂烧结，得到靶材，按照三角齿阵列式结构，将靶材中的混合物溅射沉积至(1)中极片上，得到具有三角齿阵列式结构的多功能复合正极片。
实施例6
一种多功能复合正极片，包括正极集流体层和正极活性物质层，其中，正极集流体层为铝箔，正极活性物质包括2个活性物质组件，分别为活性物质组件102和活性物质组件103，2个活性物质组件内含不同正极活性材料，活性物质组件102的中的正极活性材料为磷酸铁锂，(磷酸铁锂质量分数为90％)活性物质组件103的正极活性材料为钴酸锂，(钴酸锂质量分数为97％)活性物质组件102与活性物质组件103在正极集流体上呈梯形齿阵列式结构分布，如图9所示。
该多功能复合正极片的制备过程：
(1)根据第一正极活性物质组件1021，按照80:10:10的质量比称取磷酸铁锂、聚偏氟乙烯和导电添加剂，混合，得到活性物质混合物，采用掩模版溅射法，将混合物与高分子助烧结剂烧结，得到靶材，按照梯形齿阵列式结构，将靶材中的混合物溅射沉积至铝箔上；
(2)根据第二正极活性物质组件1022，按照80:10:10的质量比称取钴酸锂、聚偏氟乙烯和导电添加剂，混合，得到活性物质混合物，采用掩模版溅射法，将混合物与高分子助烧结剂烧结，得到靶材，按照梯形齿阵列式结构，将靶材中的混合物溅射沉积至(1)中极片上，得到具有梯形齿阵列式结构的多功能复合正极片。
实施例7
一种多功能复合正极片，包括正极集流体层101和正极活性物质层，其中，正极集流体层101为铝箔，正极活性物质层包括2个正极活性物质组件，正极活性物质组件中的正极活性材料不同，2个正极活性物质组件呈二维层状结构分布，其中第一正极活性物质组件1021中，正极活性物质组件中钴酸锂质量分数为97％，粘结剂为聚偏氟乙烯，质量分数为1.5％，导电添加剂为炭黑，质量分数为1.5％，第二正极活性物质组件1022中磷酸铁锂质量分数为97％，粘结剂为聚偏氟乙烯，质量分数为1.5％，导电添加剂为炭黑，质量分数为1.5％。
该多功能复合正极片制备过程为：
(1)根据第一正极活性组件1021，按照质量比为97：1.5：1.5分别称取钴酸锂、聚偏氟乙烯和炭黑，并逐步添加至NMP溶剂中，控制固含量为60％，搅拌均匀后得到浆料，使用自动涂布机将浆料均匀连续的涂布于铝箔上，得到极片，烘干待用；
(2)根据第二个活性物质组件1022，按照质量比97：1.5：1.5分别称取磷酸铁锂、聚偏氟乙烯和炭黑，并逐步添加至NMP溶剂中，控制固含量为60％，搅拌均匀后得到浆料，使用自动涂布机将浆料均匀连续的涂布于(1)中烘干的极片上层，烘干，得到该多功能复合正极片。
对比例
对比例1
一种正极片，包括正极集流体层101和正极活性物质层102，其中，正极集流体层101为铝箔，正极活性物质层102包括1个正极活性物质组件，正极活性物质组件中的正极活性材料为镍钴锰酸锂，镍钴锰酸锂的浓度为97wt％，粘结剂为聚偏氟乙烯，质量分数为1.5％，导电添加剂为炭黑，质量分数为1.5％，如图3所示。
该正极片的制备过程为：
按照质量比为97：1.5：1.5分别称取镍钴锰酸锂、聚偏氟乙烯和炭黑，并逐步添加至NMP溶剂中，控制固含量为50％，搅拌均匀后得到浆料，使用自动涂布机将浆料均匀连续的涂布于铝箔上，烘干，得到正极片。
对比例2
一种正极片，包括正极集流体层101和正极活性物质层102，其中，正极集流体层101为铝箔，正极活性物质层102包括1个正极活性物质组件，正极活性物质组件中的正极活性材料为钴酸锂，钴酸锂的浓度为97wt％，粘结剂为聚偏氟乙烯，质量分数为1.5％，导电添加剂为炭黑，质量分数为1.5％。
该正极片的制备过程为：
按照质量比为97：1.5：1.5分别称取钴酸锂、聚偏氟乙烯和炭黑，并逐步添加至NMP溶剂中，控制固含量为50％，搅拌均匀后得到浆料，使用自动涂布机将浆料均匀连续的涂布于铝箔上，烘干，得到正极片。
实验例
实验例1
分别以实施例3和对比例1的正极片为正极，采用常规隔膜和石墨负极，制备二次电池，对所制备的二次电池进行低温倍率放电性能测试，测试条件：测试电压为3.0V-4.2V，将电池放置于-20℃恒温箱中，静置4h后开始进行放电测试，分别在0.2C，1C，3C倍率下进行测试，所得测试结果如图10所示。其中曲线A对应实施例3，曲线B对应对比例1。
从图10中可以看出，实施例3的正极片制备的电池的倍率特性较好，无论是0.2C、1.0C还是3C倍率条件下放电，采用实施例3中的正极片制备的二次电池，其放电平台、平均放电电压均高于采用对比例1中正极片制备的二次电池，说明正极活性物质层中镍钴锰酸锂浓度呈梯度结构分布的正极片的倍率性能更好。
实验例2
分别以实施例7和对比例2的正极片为正极，负极均为金属锂片，采用常规隔膜，制备二次电池，对所制备的二次电池进行循环性能测试，测试电压范围为3.0V-4.5V，测试温度为55℃，充放电倍率为0.5C/0.5C。所得测试结果如图2所示。其中曲线a对应实施例7，曲线b对应对比例2。
从图2中可以看出，实施例7的正极片所制备的电池的循环性能较好，容量保持率较高，经过50次循环后，实施例7的正极片所制备的电池的容量保持率为98.2％，而对比例1的正极片制备的电池的容量保持率为95.5％，说明具有包括两种正极活性材料的正极活性物质层的正极片具有较好的循环性能。
以上结合优选实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明。不过需要声明的是，这些具体实施方式仅是对本发明的阐述性解释，并不对本发明的保护范围构成任何限制。在不超出本发明精神和保护范围的情况下，可以对本发明技术内容及其实施方式进行各种改进、等价替换或修饰，这些均落入本发明的保护范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种多功能复合正极片，其特征在于，所述多功能复合正极片包括正极集流体层和正极活性物质层，所述正极活性物质层包括多个正极活性物质组件，所述正极活性物质组件由正极活性材料、粘结剂和导电添加剂制得。
2.根据权利要求1所述的多功能复合正极片，其特征在于，
所述正极活性材料为可用于锂离子、钠离子、镁离子、铝离子二次电池的正极材料中的至少一种，优选选自由钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸铁锰锂、镍锰酸锂、钠铁铜锰氧化合物、普鲁士蓝、磷酸钒钠、磷酸钛钠中的至少一种，
所述正极集流体层基材由耐氧化性金属箔材或合金构成，优选选自铝箔、镍箔、钛箔、铁箔及其合金中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的多功能复合正极片，其特征在于，所述多个正极活性物质层中的正极活性物质组件以二维叠层结构分布在正极集流体层和隔膜之间。
4.根据权利要求1所述的多功能复合正极片，其特征在于，所述多个正极活性物质层中的正极活性物质组件以三维堆垛结构分布在正极集流体层和隔膜之间。
5.根据权利要求3所述的多功能复合正极片，其特征在于，所述多个正极活性物质组件中的正极活性材料相同，所述正极活性材料的浓度不同。
6.根据权利要求5所述的多功能复合正极片，其特征在于，多个正极活性物质组件呈梯度结构分布，优选地，所述多个正极活性物质组件中的正极活性材料的浓度呈梯度变化，更优选地，所述正极活性材料的浓度由正极集流体层至隔膜方向逐渐减小。
7.根据权利要求3或4所述的多功能复合正极片，其特征在于，所述多个正极活性物质组件中的正极活性材料不同，优选地，所述正极活性材料的浓度相同。
8.根据权利要求4所述的多功能复合正极片，其特征在于，所述三维堆垛结构分布为多个正极活性物质组件呈三维规则或不规则分布，优选为等间隔结构分布或三维叉齿结构分布，
所述三维叉齿结构分布优选为齿形阵列结构分布，更优选为矩形齿阵列式分布、三角齿阵列式分布或梯形齿阵列式分布中的至少一种。
9.一种多功能复合正极片的制备方法，其特征在于，所述方法包括：在正极集流体层上制备正极活性物质层，
优选地，所述正极活性物质层由正极活性物质组件通过喷涂、间隔涂布、带掩模结构的溅射、辊压、脉冲激光沉积、化学气相沉积、原子层沉积、电化学沉积、3D打印等中的一种或几种方式形成。
10.一种包含权利要求1至8之一所述的多功能复合正极片的二次电池。
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