CN112886005A - 正极材料的制备方法、正极材料及二次电池 - Google Patents

正极材料的制备方法、正极材料及二次电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种正极材料的制备方法、正极材料及二次电池，其中，正极材料的制备方法，包含依次的原料混合、水热反应、煅烧、粉碎步骤，原料混合包含将正极活性材料、木质素和碳纳米管混合成中间混合物，水热反应的条件为50～120℃温度下反应4～8h。相对于现有技术，本发明的原料混合步骤中引入了木质素和碳纳米管，并通过水热反应使得木质素中的甲氧基和酚羟基活性官能团发生氧化还原反应形成醌式结构，使用该正极材料制得的二次电池具有良好的能量密度；还通过水热反应下木质素对碳纳米管的交联和修复作用，形成三维网状碳纳米管，使得正极材料具有很好的导电性能，使用本发明的正极材料的二次电池兼顾高能量密度和良好的低温性能。

Description

正极材料的制备方法、正极材料及二次电池
技术领域
本发明涉及电池领域，具体涉及正极材料的制备方法、正极材料及二次电池。
背景技术
科技的发展、人类生活质量的提高；石油资源面临危机、地球生态环境日益恶化，促进了新型二次电池及相关材料领域的技术和产业的快速发展。目前，移动型高科技器件的开发和产业化，高度依赖着比能量高、可移动、资源节约型、能反复使用、不污染环境的绿色能源储备装置。市场的迫切需求，使新型二次电池应运而生。其中，锂离子电池作为最新型的二次电池，由于其优越的性能而备受青睐。随着锂离子电池被用于越来越多的领域，对于锂离子电池的性能要求越来越高，锂离子电池不仅仅需要有高能量密度和良好的循环性能，还需要在低温(-40℃)的情况下仍然具有很好的充放电性能。
正极材料作为二次电池中的重要组成部分，一直制约着二次电池的大规模推广应用，一直以来通过表面包覆改性是一种很好的改善正极材料电化学性能的方法。YingWang等(Nanoscale,2011,3:1465)用原子层沉积法在LiMn2O4的表面包覆一层纳米厚度的Al2O3来提高LiMn2O4的循环性能，发现包覆后的LiMn2O4循环性能有很大改善。然而其仅仅是从减少活性物质与电解液直接接触的角度对材料进行表面修饰，而没有考虑到包覆层对材料导电性的影响，进而其低温性能较差；通过提高材料的电子导电性来改善材料的电化学性能依然是材料改性领域的主流选择，C.Y.Wu(The Journal of Physical Chemistry C,2011,10)等人采用化学气相沉积法原位合成出LiFePO4/C纤维复合材料提高了其电化学性能；Byoungwoo Kang&Gerbrand Ceder(nature,2009,3:485)，在超高的放电倍率下获得了较高的能量密度，他们是通过在LiFePO4的表面形成一层磷酸盐来实现的，尽管这种正极材料的放电性能明显提高，却是通过添加大量的导电剂来弥补电子导电性的缺陷，并且由于提高了导电剂的用量，使得活性物质含量降低，从而使整体材料的比容量有明显降低。上述技术方案不能同时兼顾二次电池的低温性能和能量密度。
发明内容
为了解决现有技术中二次电池的正极材料的表面包覆改性方法不能同时兼顾低温性能和能量密度的问题，本发明第一方面提供了一种正极材料的制备方法，包含依次的原料混合、水热反应、煅烧、粉碎，原料混合包括将正极活性材料、木质素和碳纳米管混合成中间混合物，水热反应的条件为50～120℃温度下反应4～8h。
相对于现有技术，本发明的原料混合步骤中引入了木质素和碳纳米管，并通过水热反应使得木质素中的甲氧基和酚羟基活性官能团发生氧化还原反应形成醌式结构，在电池中，正极材料的容量表现为金属离子的脱嵌，而首次充放电后，部分正极结构会不可避免的坍塌，普通正极这部分金属离子就无法再进行脱嵌，从而使得容量降低，而醌式结构的储存离子的功效能够在金属离子的脱嵌过程中将这部分离子保存从而提高正极材料的容量进而不会降低正极材料的能量密度，进而制得的二次电池具有良好的能量密度；木质素在水热反应下与一维的管状碳纳米管发生交联，可以阻止碳纳米管发生团聚，氧代苯丙醇或其衍生物结构单元可以与碳纳米管表面的缺陷反应使得碳纳米管形成网状的三维结构，可以形成快速电子传输通道，并且醌式结构可以提高低温条件下正极材料接收电子的速度，从而与碳纳米管形成的三维结构进一步产生协同作用，在低温条件下充分发挥碳纳米管的高导电性性能，提高低温下电子和离子的传输速率，以提高二次电池的低温性能。
本发明第二方面提供了一种正极材料，其采用上述正极材料的制备方法制备。该正极材料适用于制作二次电池的正极，可以为二次电池带来很好的低温性能和能量密度。
本发明第三方面提供了一种二次电池，包含负极、隔膜、电解液和正极，正极包含的正极材料采用上述的正极材料的制备方法制备或者采用上述的正极材料。该二次电池兼顾低温性能和高能量密度，适用于极端环境。
具体实施方式
本发明的正极材料的制备方法，包含原料混合、水热反应、煅烧、粉碎，所述原料混合为将正极活性材料、木质素和碳纳米管混合成中间混合物，水热反应的条件为50～120℃温度下反应4～8h。其中水热反应的温度可以为但不限于为50、60、70、80、90、100、110、120℃，水热反应的时间可以为但不限于为4、5、6、7、8h。
进一步的，正极活性材料包括镍钴锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂和锰酸锂中的至少一种。本发明的正极材料的制备方法可以适用于常见的正极活性材料。
进一步的，煅烧步骤的温度可以为但不限于为300、400、500、600、700、800、900、1000℃。煅烧步骤的温度可以根据原料进行调节。
进一步的，以正极活性材料添加量为1kg计，木质素的添加量为5～100g，可以为但不限于为5、10、20、30、50、70、80、100g。进一步的，木质素的添加量为50g。
进一步的，以正极活性材料添加量为1kg计，碳纳米管的添加量为5～100g，可以为但不限于为5、10、20、30、50、70、80、100g。进一步的，碳纳米管的添加量为50g。
进一步的，木质素与碳纳米管的添加量的比值为0.2～5，可以为但不限于为0.2、0.5、1、2、3、4、5，通过控制木质素和碳纳米管的添加量的比值于上述范围，可以更好的发挥其协同作用，提升电池性能。进一步的，木质素与碳纳米管的添加量的比值为1。
进一步的，木质素为G木质素和GS木质素中的至少一种。G木质素和GS木质素中，含有大量的紫丁香基木质素(酚羟基两个邻位为甲氧基)和愈创木基木质素(酚羟基1个邻位为甲氧基)，可以形成更多的醌式结构。进一步的，木质素为GS木质素。G木质素由松柏醇脱氢聚合而成，GS木质素有松柏醇和芥子醇脱氢共聚而成，因此GS木质素有更多的甲氧基和酚羟基活性官能团，能够形成更多的醌式结构，可以形成更加稳定的三维网络结构。
为更好地说明本发明的目的、技术方案和有益效果，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。需说明的是，下述实施所述实施例是对本发明的进一步解释说明，不应当作为对本发明的限制。本实施例涉及的原料皆可通过市售而获得。
首先按照实施例1～5和对比例1～2的制备方法获得正极材料。
实施例1
一种正极材料，正极材料的制备方法如下：将1kg含有镍钴锰酸锂的正极活性材料与0.05kg GS木质素和0.05kg碳纳米管混合得到中间混合物，将中间混合物置于水浴80℃加热6h，用烘干机进行干燥，然后使用500℃的温度进行煅烧，然后进行粉碎、除铁等步骤，最终得到用于制备锂电池正极的正极材料。
实施例2
一种正极材料，正极材料的制备方法如下：将1kg含有镍钴锰酸锂的正极活性材料与0.05kg GS木质素和0.05kg碳纳米管混合得到中间混合物，将中间混合物置于水浴100℃加热4h，用烘干机进行干燥，然后使用500℃的温度进行煅烧，然后进行粉碎、除铁等步骤，最终得到用于制备锂电池正极的正极材料。
实施例3
一种正极材料，正极材料的制备方法如下：将1kg含有钴酸锂的正极活性材料与0.05kg GS木质素和0.05kg碳纳米管混合得到中间混合物，将中间混合物置于水浴80℃加热6h，用烘干机进行干燥，然后使用1000℃的温度进行煅烧，然后进行粉碎、除铁等步骤，最终得到用于制备锂电池正极的正极材料。
实施例4
一种正极材料，正极材料的制备方法如下：将1kg含有镍钴锰酸锂的正极活性材料与0.10kg GS木质素和0.02kg碳纳米管混合得到中间混合物，将中间混合物置于水浴80℃加热6h，用烘干机进行干燥，然后使用500℃的温度进行煅烧，然后进行粉碎、除铁等步骤，最终得到用于制备锂电池正极的正极材料。
实施例5
一种正极材料，正极材料的制备方法如下：将1kg含有镍钴锰酸锂的正极活性材料与0.05kg G木质素和0.05kg碳纳米管混合得到中间混合物，将中间混合物置于水浴80℃加热6h，用烘干机进行干燥，然后使用500℃的温度进行煅烧，然后进行粉碎、除铁等步骤，最终得到用于制备锂电池正极的正极材料。
对比例1
一种正极材料，正极材料的制备方法如下：1kg含有镍钴锰酸锂的正极活性材料，用烘干机进行干燥，然后使用500℃的温度进行煅烧，然后进行粉碎、除铁等步骤，最终得到用于制备锂电池正极的正极材料。
对比例2
一种正极材料，正极材料的制备方法如下：将1kg含有镍钴锰酸锂的正极活性材料与0.05kg GS木质素和0.05kg碳纳米管混合得到中间混合物，用烘干机进行干燥，然后使用500℃的温度进行煅烧，然后进行粉碎、除铁等步骤，最终得到用于制备锂电池正极的正极材料。
以实施例1～5和对比例1～2的正极材料参照下述锂电池制备方法制成锂离子电池，并进行电池初始容量测试和低温放电测试。
锂电池制备方法
1.非水电解液的制备
将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸甲乙酯(EMC)按质量比为EC:EMC:DEC＝3:5:2进行混合，然后加入六氟磷酸锂(LiPF6)至摩尔浓度为1.0mol/L。
2.正极片的制备
将正极材料、导电剂SuperP、粘接剂PVDF和碳纳米管(CNT)按质量比97.5:1.5:1:1混合均匀制成一定粘度的锂离子电池正极浆料，涂布在集流体用铝箔上，其涂布量为224g/m2，在110℃下烘干后进行冷压；然后进行切边、裁片、分条，分条后焊接极耳，制成满足要求的锂离子电池正极片。
3.负极片的制备：将人造石墨与导电剂SuperP、增稠剂CMC、粘接剂SBR(丁苯橡胶乳液)按质量比95:1.4:1.4:2.2的比例制成浆料，涂布在集流体铜箔上并在75℃下烘干，涂布量为108g/m2；进行切边、裁片、分条，分条后焊接极耳，制成满足要求的锂离子电池负极片。
4.锂离子电池的制备：将根据上述工艺制备的正极片、负极片和隔膜经卷绕工艺制作18650圆柱形锂离子电池，在85℃下真空烘烤10h，注入上述非水电解液。静置48h后，用0.l C(250mA)的恒流充电至4.2V，然后以4.2V恒压充电至电流下降到0.02C(50mA)；然后以0.2C(500mA)放电至2.75V，重复2次充放电，最后再以0.2C(500mA)将电池充电至3.8V，完成电池制作。
电池测试方法
1.电池初始容量测试
对实施例1～5和对比例1～2的电池进行充放电测试，比较电池初始容量。测试条件：将上述已完成电池制作的电池，用0.5C的恒流充电至4.2V，然后以4.2V恒压充电至电流下降到0.02C，然后以0.2C放电至2.75V，循环三次，记录放电容量并求平均值，计算得到放电克容量。
2.低温放电测试
在常温下将电池以0.5C的电流恒流充电至4.2V然后恒压充电至电流下至0.02C，然后将电池置于恒温-40℃的恒温箱中24h，以0.2C的电流恒流放电至2.75V。
电池容量保持率(％)＝保持容量/初始容量×100％
表1实施例1-5和对比例1-2的锂离子电池的初始容量测试结果及低温放电测试的结果
组别 放电克容量 电池容量保持率(％)
实施例1 160.2mAh/g 88.87
实施例2 159.6mAh/g 86.03
实施例3 155.1mAh/g 85.11
实施例4 158.8mAh/g 86.56
实施例5 156.5mAh/g 84.21
对比例1 159.0mAh/g 49.56
对比例2 138.6mAh/g 61.22
根据表1的结果可知，实施例1-5的锂离子电池的综合性能明显好于对比例1-2，这是因为本发明的原料混合步骤中引入了木质素和碳纳米管，并通过水热反应使得木质素中的甲氧基和酚羟基活性官能团发生氧化还原反应形成醌式结构，在电池中，正极材料的容量表现为金属离子的脱嵌，而首次充放电后，部分正极结构会不可避免的坍塌，普通正极这部分金属离子就无法再进行脱嵌，从而使得容量降低，而醌式结构的储存离子的功效能够在金属离子的脱嵌过程中将这部分离子保存从而提高正极材料的容量进而不会降低正极材料的能量密度，进而制得的锂离子电池具有良好的能量密度；木质素在水热反应下与一维的管状碳纳米管发生交联，可以阻止碳纳米管发生团聚，氧代苯丙醇或其衍生物结构单元可以与碳纳米管表面缺陷反应使得碳纳米管形成网状的三维结构，可以形成快速电子传输通道，并且醌式结构可以提高低温条件下正极材料接收电子的速度，从而与碳纳米管形成的三维结构进一步产生协同作用，在低温条件下充分发挥碳纳米管的高导电性性能，提高低温下锂离子的传输速率，以提高锂电池的低温性能。对比例1中不含有木质素和碳纳米管，虽然其放电克容量与实施例1-5接近，但是其电池容量保持率明显更差；对比例2含有木质素和碳纳米管但是没有经过水热反应进行处理，虽然其电池容量保持率得到一定改善，但是其没有水热反应步骤，因此不能实现上述协同作用，反而因为正极活性材料的比例降低而导致放电克容量降低。
根据表1的数据可知，实施例5的放电克容量较实施例1-4低，这是因为实施例5中使用了G木质素，G木质素由松柏醇脱氢聚合而成，GS木质素由松柏醇和芥子醇脱氢共聚而成，因此G木质素有较少的甲氧基和酚羟基活性官能团，形成醌式结构较少，形成的三维网络结构略差。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，但是也并不仅限于实施例中所列，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.正极材料的制备方法，其特征在于，包含依次的原料混合、水热反应、煅烧、粉碎，所述原料混合包括将正极活性材料、木质素和碳纳米管混合成中间混合物，所述水热反应的条件为50～120℃温度下反应4～8h。
2.根据权利要求1所述的正极材料的制备方法，其特征在于，所述正极活性材料包含镍钴锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂和锰酸锂中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的正极材料的制备方法，其特征在于，所述煅烧步骤的温度为300～1000℃。
4.根据权利要求1所述的正极材料的制备方法，其特征在于，以所述正极活性材料添加量为1kg计，所述木质素的添加量为5～100g。
5.根据权利要求1所述的正极材料的制备方法，其特征在于，以所述正极活性材料添加量为1kg计，所述碳纳米管的添加量为5～100g。
6.根据权利要求1所述的正极材料的制备方法，其特征在于，所述木质素与所述碳纳米管的添加量的比值为0.2～5。
7.根据权利要求1所述的正极材料的制备方法，其特征在于，所述木质素为G木质素和GS木质素中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的正极材料的制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度为60～100℃。
9.正极材料，其特征在于，为碳材料包覆的正极活性材料，采用权利要求1-8任一项所述的正极材料的制备方法而制备。
10.二次电池，包含负极、隔膜、电解液和正极，其特征在于，所述正极包含的正极材料采用权利要求1-8任一项所述的正极材料的制备方法而制备的正极材料或权利要求9所述的正极材料。
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