CN114300648A - 一种正极极片及其制备方法与正极极板、固态电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种正极极片及其制备方法与正极极板、固态电池。以正极极片的原料总质量为100%计,正极极片的原料包括:正极活性材料80‑98%;离子导电剂1.5‑10%;电子导电剂0.5‑5%;助剂0‑5%;正极活性材料选用锂材料;所述离子导电剂选用卤化物固态电解质。正极极板包括集流体和设置于集流体表面的上述正极极片。固态电池包括依次设置的杉树正极极板、电池隔膜和负极极板。本发明提供的正极极片用于固态电池有助于避免固态电池出现热失控问题。
Description
技术领域
本发明属于固态电池技术领域,具体涉及一种正极极片及其制备方法与正极极板、固态电池。
背景技术
当前,随着能源危机以及环境污染问题日益严峻,锂电池作为绿色能源取代化石燃料得到越来越多的关注。目前,锂电池已广泛应用于消费电子领域,并且在新能源汽车和储能领域的应用也以前所未有的速度进行扩张。其中,为了实现锂电池在新能源汽车的应用普及,需要同时解决电池的安全性问题和能量密度问题。
固态电池被普遍认为是解决动力电池安全问题的根本路径,且有望在5-10年内实现商业化应用。相比于液态电池,固态电池可适配具有更高比容量的正负极材料,因而具有更高的能量密度;同时,使用固态电解质部分或完全替代常规电芯的液态电解液,分别形成半固态电池或全固态电池,包括硫化物电解质、氧化物电解质、聚合物电解质以及卤化物电解质等多种类型的固态电解质材料,可不同程度地降低易燃易爆电解液的使用以及漏液导致的一系列起火、爆炸等安全隐患。目前,电动车热失控事故频发,短时间的急剧产热和热量积累是热失控的根本原因;为了控制电池产热,除了基于固态电解质本身的高安全特性(这与其种类相关),固态电解质应用于电池中的内部位置和加工工艺不同,对于安全性的实际提升程度同样有直接影响。目前,公开的文献和专利集中于固态电解质的制备方法及其在固态电池中的电性能应用,而针对安全性的提升,固态电解质如何选择、及其形成极片和电芯的工艺方法未见报道。
为了从根本上解决电池热失控问题,需筛选某些种类的固态电解质,并将其用于固态电池,有望从本征上提升电池安全性。针对各种电解质的在扣电层面的开发已基本实现了固态电池的性能研究,针对固态电解质膜的制备也提出了包括溅射、涂覆、喷涂、熔融挤出等各种制备方法。然而,一旦放大到安时级全电池,往往因放大工艺困难、体相离子电导率不足、界面阻抗偏高、电位窗口偏窄、化学/电化学稳定性不足等一方面或几方面的问题,严重限制了面向动力领域的固态电池性能发挥和应用潜力。特别是,由于固态电解质不具备液态电解液的流动和连续特性,电极内部的体相离子电导构建往往成为核心限制瓶颈,因此,如何选择合适的固态电解质、并以可规模化放大的工艺实现兼具电子电导和离子电导的电极连续制备,是固态动力电池实现产业化应用的关键所在。目前,固态电池的制备主要沿用液态锂离子电池的湿法涂布工艺,但针对不同的固态电解质,需耗费大量的时间和精力筛选甚至全新开发具备化学稳定性的溶剂及相应粘结剂,并且很难在粘结性、化学稳定性以及杂质无残留之间达到平衡。例如为了实现硫化物固态电解质的湿法涂布,各大公司不遗余力地开发各种弱极性和非极性溶剂、同时需配合可溶于上述溶剂的粘结剂开发,力争开发出满足涂布要求、兼顾成本和环保的溶剂和粘结剂体系;而对于较为新型的卤化物固态电解质,则尚未开展粘结剂和溶剂的筛选和开发工作。然而,即使实现了上述开发,由于后续需烘干溶剂,必然造成多孔结构,这对于固态电池内部要求低孔隙、高压实从而实现紧密接触而言,非但不必要且具有负面影响,而且无法充分发挥复合正极对于安全性的提升效果。因此,开发一种无溶剂的固态电极制备工艺,是实现固态电池放大应用的重要路径。
无溶剂工艺,也称干法工艺,在电容器领域具有一些应用,例如针对超级电容器的应用,一般采用活性炭、石墨等具有片层结构、利于干法延展的材料;即使在较新的锂离子电容器领域,也只是掺混了一部分电池用电极材料,如磷酸铁锂材料、钛酸锂材料等,这主要是由于电极材料密度高、硬度大,单独干法成片非常困难,仍需用到高比例的石墨、活性炭等碳类材料提供润滑和延展,不但导致活性材料的占比偏低,而且极大限制了电极、特别是正极的压实密度,从而显著降低电池的能量密度,导致电池用干法正极始终未得到解决,进一步导致干法工艺未能真正应用于电池领域。
总之,在固态电池领域,如何控制电池短时急剧产热的源头、显著降低电池热失控风险、解决电池热失控问题仍旧是本领域技术人员研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于固态电池的正极极片以及制备该正极极片的方法,该正极极片用于固态电池有助于避免固态电池出现热失控问题。
本发明的另一目的在于提供一种适用于固态电池的正极极板,该正极极板用于固态电池有助于避免固态电池出现热失控问题。
本发明的另一目的在于提供一种固态电池,该固态电池热稳定性能够较好避免出现热失控。
为了实现上述目的,本发明提供了一种正极极片,以正极极片的原料总质量为100%计,所述正极极片的原料包括:
正极活性材料80-98%;
离子导电剂1.5-10%;
电子导电剂0.5-5%;
助剂0-5%(包含0%,助剂为可选择的原料);
其中,所述正极活性材料选用锂材料;所述离子导电剂选用卤化物固态电解质。
在固态电池中使用上述正极极片中,利用卤化物固态电解质与锂材料的高温反应特性,当电池放热量增大时电池出现高温,在高温下卤化物固态电解质与锂材料迅速发生反应并生成离子电导率显著降低的高内阻新相物质,电池内阻急速升高,近似形成电池断路,从而短时间内显著降低电池焦耳产热及其诱发的副反应产热,从源头上控制电池短时急剧产热,从而显著降低电池热失控风险。
在固态电池中使用上述正极极片中,借助卤化物固态电解质的弹性形变特性,在无溶剂正极成片工艺中可以作为成膜添加剂使用,可避免额外的成膜添加剂等杂质或非活性物质引入、从而明显提升正极活性材料占比;并解决高正极活性材料占比条件下无溶剂工艺难以连续成膜的问题;同时提升极片压实,实现离子导电剂和正极活性材料的紧密接触,从而在高温下提供更高反应活性,实现对热失控的根本抑制。
在上述正极极片中,所述正极极片可以利用其包含的原料使用干法成片(即无溶剂成片工艺)或者湿法成片制备得到。
在上述正极极片中,优选地,所述正极活性材料包括锂镍钴锰氧化物、锂锰氧化物、锂锰镍氧化物、锂钴氧化物、锂镍钴氧化物、磷酸铁锂、磷酸锰锂和磷酸锰铁锂中的一种或两种以上的组合;更优选地,所述正极活性材料包括LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2、LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2、LiNi0.5Mn0.2Co0.3O2、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4、LiFePO4、LiMnPO4、Li[Lix(MnNi)1-x]O2、Li[Lix(MnCo)1-x]O2和Li[Lix(MnFe)1-x]O2中的一种或两种以上的组合。
在上述正极极片中,优选地,所述卤化物固态电解质为LiαMXβ,其中,M选用In、Al、Ga、Sc、Bi、Fe、Y、La、Ho中的一种或两种以上的组合,X选用F、Cl、Br中的一种或两种以上的组合,0≤α≤10(更优选为0<α≤10),1≤β≤13。
在上述正极极片中,优选地,所述离子导电剂包括但不限于Li3YCl6、Li3InCl6、Li3ScCl6、Li3Y0.5In0.5Cl6、Li3Y0.1In0.9Br6、Li3Y0.5Bi0.5F6、Li2Ho0.3Al0.05In0.6Fe0.05Cl5中的一种或两种以上的组合。。
在上述正极极片中,优选地,所述电子导电剂包括导电炭黑、石墨烯、碳纳米管和碳纤维中的一种或两种以上的组合。
在上述正极极片中,优选地,所述助剂具备粘结剂和离子传导双重特性,可提高干法成膜均匀性和致密度;
更优选地,所述助剂包括丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚丙烯酰胺、聚丙烯均聚物或共聚物、丙烯酸丁酯-苯乙烯共聚物丙烯腈共聚物、丙烯酸丁酯、丙烯酸丁酯丙烯腈缩水甘油丙烯酸甲酯共聚物、丙烯腈-丁二烯共聚物,聚四氟乙烯(PTFE)、聚氧化乙烯(PEO)、聚碳酸丙烯酯(PPC)、聚碳酸乙烯酯(PEC)、聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)、聚ε-己内酯(PCL)、氰基橡胶(NBR)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)中的一种或两种以上的组合。
本发明还提供了一种上述正极极片的制备方法,优选地,该方法包括:
将正极活性材料、离子导电剂、电子导电剂以及可选择地助剂混合、粉碎;然后压制成连续的膜作为正极极片。
在上述正极极片的制备方法中,优选地,在制备正极极片的过程中,不引入需要后续去除的溶剂(所述溶剂包括极性溶剂(包括水)和非极性溶剂)。
本发明还提供了一种正极极板,其中,将所述正极活性材料、离子导电剂、电子导电剂以及可选择地助剂混合、粉碎;然后采用湿法涂布形成正极极片。
本发明还提供了一种正极极板,其中,该正极极板包括集流体和设置于集流体表面的上述正极极片。
在上述正极极板中,优选地,所述正极极板的厚度为165-260μm,其中,正极极片与集流体厚度比为12:1-25:1。
在上述正极极板中,优选地,所述正极极板的压实密度为3.4-3.8g/cm3。
在上述正极极板中,集流体层选用常用的电极集流体皆可;在一具体实施方式中,所述集流体层选用铝箔。
在上述正极极板中,优选地,所述正极极板通过下述方式制备得到:
将正极活性材料、离子导电剂、电子导电剂以及可选择地助剂混合、粉碎;然后压制成连续的膜作为正极极片;
在集流体表面涂敷导电胶,将正极极片覆于集流体表面的导电胶上,热辊压将正极极片与集流体复合形成正极极板。
在上述正极极板中,优选地,所述正极极板通过下述方式制备得到:
将正极活性材料、离子导电剂、电子导电剂以及可选择地助剂混合、粉碎,得到第一混合物;
采用湿法涂布将第一混合物涂布于集流体表面,经辊压形成正极极板。
本发明还提供了一种固态电池,其中,所述固态电池包括依次设置的上述正极极板、电池隔膜和负极极板。
在上述固态电池中,所述固态电解质膜选用固态电池常用的电池隔膜即可。优选地,所述电池隔膜包括隔膜固态电解质膜和陶瓷隔膜中的一种。
在上述固态电池中,所述固态电解质膜选用固态电池常用的固态电解质膜即可;
在一具体实施方式中,所述固态电解质膜为固态电解质与助剂混合后压制得到的固态电解质膜(优选为干法固态电解质膜);
优选地,所述固态电解质为LiαMXβ,其中,M选用In、Al、Ga、Sc、Bi、Fe、Y、La、Ho中的一种或两种以上的组合,X选用F、Cl、Br中的一种或两种以上的组合,0≤α≤10(更优选为0<α≤10),1≤β≤13;
优选地,所述助剂具备粘结剂和离子传导双重特性,可提高干法成膜均匀性和致密度;进一步优选地,所述助剂包括丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚丙烯酰胺、聚丙烯均聚物或共聚物、丙烯酸丁酯-苯乙烯共聚物丙烯腈共聚物、丙烯酸丁酯、丙烯酸丁酯丙烯腈缩水甘油丙烯酸甲酯共聚物、丙烯腈-丁二烯共聚物,聚四氟乙烯(PTFE)、聚氧化乙烯(PEO)、聚碳酸丙烯酯(PPC)、聚碳酸乙烯酯(PEC)、聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)、聚ε-己内酯(PCL)、氰基橡胶(NBR)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)中的一种或两种以上的组合;
更优选地,固态电解质膜所用的固态电解质与正极极片中所用的固态电解质相同;
更优选地,固态电解质膜所用的助剂与正极极片中所用的助剂相同;
例如,以固态电解质膜的原料质量为100%计,所述固态电解质膜为95%固态电解质与5%助剂混合后压制得到的干法固态电解质膜,其中,固态电解质为Li3YCl6,助剂为质量比为4:1的聚四氟乙烯和聚碳酸丙烯酯。
在上述固态电池中,所述负极极板选用固态电池常用的负极极板即可;
在一具体实施方式中,所述负极极板选用LiIn合金。
与现有技术相比,本发明提供的技术方案具备如下有益效果:
1、本发明提供的正极极片用于固态电池时,能够有效解决电池热失控问题。
在电池高温滥用场景下,卤化物固态电解质可与正极活性材料发生化学反应生成离子电导率显著降低的新相,使得电池内阻急速升高近似形成电池断路,从而短时间内显著降低电池焦耳产热及其诱发的副反应产热。由此可控制电池短时急剧产热的源头,显著降低电池热失控风险,解决电池热失控问题。
2、本发明提供的正极极片,借助卤化物固态电解质的弹性形变特性,在无溶剂正极成片工艺中可以发挥成膜添加剂的功用;一方面,可避免额外的成膜添加剂等杂质或非活性物质引入,有助于提升正极活性材料占比;另一方面,可以解决活性正极材料在较高占比条件下、无溶剂工艺难以连续成膜的问题;在一方面,能够提升极片压实,实现离子导体和活性材料的紧密接触,从而在高温下提供更高反应活性,有助于更好的实现对热失控的根本抑制。
附图说明
图1为本发明实施例1中正极极片的连续成卷样品图。
图2为本发明实施例1中正极极片的SEM图。
图3为本发明实施例1中固态电池充放电测试图。
图4为本发明实施例3中固态电池的热箱测试结果图。
图5为本发明对比例2中固态电池的热箱测试结果图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解,现对本发明的技术方案进行以下详细说明,但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
其中,在说明书和权利要求书中使用的术语不应被解释为限于一般的和字典的含义。而是应在使得发明人可以为了最好的说明而适当定义术语的原则基础上,基于对应于本发明技术方面的含义和概念而解释。因此,本文中提出的说明只是仅为了例示目的的优选实例,不旨在限制本发明的范围,因此应理解,可以在不背离本发明主旨和范围的情况下对其作出其他等价和修改。
实施例1
本实施例提供了一种正极极片,该正极极片通过下述方法制备得到:
选用90.5wt%钴酸锂氧化物正极活性材料(LiCoO2)、5wt%固态电解质(Li3YCl6,高能球磨和煅烧法合成)、1.5wt%导电剂单壁碳纳米管以及3wt%的聚四氟乙烯和聚碳酸丙烯酯混合物(聚四氟乙烯和聚碳酸丙烯酯以80wt%:20wt%混合),分别作为正极活性材料、离子导电剂、电子导电剂和助剂,在200rpm转速下经过2h混合形成第一混合物;
将第一混合物进一步粉碎成最大粒径不超过6μm的颗粒后通过辊压机在20t的情况下压制成150μm厚的连续的正极干法电极膜作为正极极片。
本实施例提供的正极极片连续成卷样品如图1所示;本实施例提供的正极极片的SEM图如图2所示,由图2可以看出本实施例制备得到的正极极片具有电子和离子三维导通网络,是一种电子和离子均一分布的高压实厚正极材料。
本实施例还提供了一种正极极板,该正极极板通过下述方法制备得到:
选用表面涂敷2μm厚的导电胶的20μm铝箔集流体,其中导电胶含有碳纳米管、导电炭黑、阴离子聚丙烯酰胺等组分的常规导电胶,将本实施例提供的正极极片覆于导电胶表面,经过150℃热辊压,得到紧密压实后的正极极板,厚度为260μm,压实密度3.5g/cm3。
本实施例提供的正极极板的性能如表1所示。
本实施例还提供了一种固态电池,该固态电池通过下述方法制备得到:
制备固态电解质膜:将95wt%固态电解质(Li3YCl6,高能球磨和煅烧法合成),5%的助剂(聚四氟乙烯和聚碳酸丙烯酯以80wt%:20wt%混合)在200rpm转速下进行1h混合,然后通过辊压机在50t的情况下压制成33μm厚的干法电解质膜即为固态电解质膜;
固态电池组装:取本实施例提供的正极极板,裁剪成60mm×45mm尺寸备用;取上述固态电解质膜,裁剪成65mm×50mm尺寸备用;取压制而成的LiIn合金片材,裁剪成62mm×47mm尺寸作为负极极板备用;将裁剪好备用的正极极板、固态电解质膜、负极极板按照固态电解质膜在中间、正极极板与负极极板设置于固态电解质膜两侧的排列顺序组装单片软包电池,得到所述固态电池。
对本实施例提供的固态电池在2.8-4.3V电压范围内进行0.2C/0.2C(0.2C充电,0.2C放电)充放电测试,测试结果如图3所示。固态电池的首次放电比容量达到了195mAh/g(25℃),首圈库伦效率(放电容量÷充电容量)为86.32%。
实施例2
本实施例提供了一种正极极板,该正极极板通过下述方法制备得到:
1)选用93wt%钴酸锂氧化物正极活性材料(NCM811)、3wt%固态电解质(Li3YBr6与Li3YCl分别经高能球磨法制备,后以20wt%:80wt%混合)、2.5wt%炭黑以及1.5wt%的PVDF(聚偏氟乙烯),分别作为正极活性材料、离子导电剂、电子导电剂和助剂,形成第一混合物;
2)将第一混合物进一步粉碎成最大粒径不超过6μm的颗粒,通过辊压机在30t的情况下压制成95μm厚的连续的正极干法电极膜作为正极极片。
本实施例还提供了一种正极极板,该正极极板通过下述方法制备得到:
选用表面涂敷2μm厚的导电胶的16μm铝箔集流体,其中导电胶含有碳纳米管、导电炭黑、阴离子聚丙烯酰胺等组分的常规导电胶,将本实施例提供的正极极片覆于导电胶表面,经过140℃热辊压,得到紧密压实后的正极极板,厚度为165μm,压实密度3.6g/cm3。
本实施例提供的正极极板表面形成有正极极片。
本实施例还提供了一种固态电池,该固态电池通过下述方法制备得到:
制备固态电解质膜:将92wt%固态电解质(Li3InCl6,高能球磨和煅烧法合成),8%的助剂(聚四氟乙烯和聚碳酸丙烯酯以70wt%:30wt%混合)在200rpm转速下进行1h混合,然后通过辊压机在20t,30t和50t三段压延的情况下压制成25μm厚的干法电解质膜即为固态电解质膜;
制备负极极板:选用95wt%的石墨、2wt%的碳黑与单臂碳纳米管混合物(其中,碳黑1.8wt%、单臂碳纳米管0.2wt%)、3wt%的CMC与SBR的混合物(其中,CMC占1.2wt%、:SBR占1.8wt%)分别作为负极活性材料、复合导电剂和粘结剂,将上述物质以水作为溶剂在300rpm的转速下混合3h后形成浆料,采用湿法涂布涂于6μm铜箔,经辊压形成厚度为120μm、压实密度为1.5g/cm3的负极电极膜即负极极板;
采用上述正极极板作为固态电池的正极极板、采用上述固态电解质膜作为固态电池的隔膜、采用上述负极极板作为固态电池的负极极板,以N/P比为1.1进行电池组装,得到所述固态电池。
本实施例提供的固态电池的容量为20Ah。
实施例3
本实施例提供了一种正极极片,该正极极片通过下述方法制备得到:
选用87.5wt%锂镍钴猛氧化物正极材料(NCM811)、5wt%固态电解质(Li3InCl6,高能球磨和煅烧法合成)、2.5wt%导电剂炭黑以及5wt%的聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯混合物(聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯以70wt%:30wt%混合),分别作为正极活性材料、离子导电剂、电子导电剂和助剂,在300rpm转速下经过1.5h混合形成第一混合物;
将第一混合物进一步粉碎成最大粒径不超过6μm的颗粒,通过辊压机在30t的情况下压制成135μm厚的连续的正极干法电极膜作为正极极片。
本实施例还提供了一种正极极板,该正极极板通过下述方法制备得到:
选用表面涂敷2μm厚的导电胶的16μm铝箔集流体,其中导电胶含有碳纳米管、导电炭黑、阴离子聚丙烯酰胺等组分的常规导电胶,将本实施例提供的正极极片覆于导电胶表面,经过130℃热辊压,得到紧密压实后的正极极板,厚度为220μm,压实密度3.8g/cm3。
本实施例提供的正极极板的性能如表1所示。
对比例1
本对比例提供了一种正极极片,该正极极片通过下述方法制备得到:
选用65wt%的锂镍钴猛氧化物正极材料(NCM811)、15wt%的导电剂炭黑、10wt%的润滑剂(石墨)以及10wt%的PTFE与PVDF的复配粘结剂(其中,PTFE和PVDF各占5wt%),在200rpm转速下经过2h混合形成第一混合物;
将第一混合物进一步粉碎成最大粒径不超过6μm的颗粒,通过辊压机在20t的情况下压制成75μm厚的连续的正极干法电极膜作为正极极片。
本对比例还提供了一种正极极板,该正极极板通过下述方法制备得到:
选用表面涂敷2μm厚的导电胶的20μm铝箔集流体,其中导电胶含有碳纳米管、导电炭黑、阴离子聚丙烯酰胺等组分的常规导电胶,将本实施例提供的正极极片覆于导电胶表面,经过110℃热辊压,得到紧密压实后的正极极板,厚度为125μm,压实密度2.5g/cm3。
通过实施例1和对比例1可知,当正极极片中不使用卤化物固态电解质作为其中一种组分时,正极活性占比难以得到有效提升,而且即使在65%的低占比情况下,采用同样的干法工艺依然难以连续成膜,连续长度降低了1个数量级,同时压实明显减低,证实了卤化物固态电解质在连续成膜以及提高压实方面的积极作用。本对比例提供的正极极板的性能如表1所示。
表1
对比例2
本对比例提供了一种正极极板,该正极极板通过下述方法制备得到:
1)选用93wt%钴酸锂氧化物正极活性材料(NCM811)、5.5wt%炭黑以及1.5wt%的PVDF(聚偏氟乙烯),分别作为正极活性材料、电子导电剂和助剂,形成第一混合物;
2)以N-甲基吡咯烷酮作为溶剂采用湿法涂布将第一混合物涂布于12μm的铝箔集流体表面,然后经辊压形成厚度为220μm、压实密度为3.5g/cm3的正极极板。
本对比例提供的正极极板表面形成有正极极片。
本对比例还提供了一种液态电池,该液态电池通过下述方法制备得到:
采用本对比例提供的正极极板作为电池的正极极板;
采用陶瓷隔膜(12PE+4Al2O3,即12μm厚度PE隔膜为基膜,其一面涂覆4μm厚度的Al2O3陶瓷层)作为电池隔膜;
选用95wt%的石墨、2wt%的碳黑与单臂碳纳米管混合物(其中,碳黑1.8wt%、单臂碳纳米管0.2wt%)、3wt%的CMC与SBR的混合物(其中,CMC占1.2wt%、:SBR占1.8wt%)分别作为负极活性材料、复合导电剂和粘结剂,将上述物质以水作为溶剂在300rpm的转速下混合3h后形成浆料,采用湿法涂布涂于6μm铜箔,经辊压形成厚度为120μm、压实密度为1.5g/cm3的负极电极膜即负极极板;
选用1M的LiPF6作为锂盐,EC:DEC:DMC=1:1:1作为溶剂,配成电解液后,以1.8g/Ah的注液量进行注液。
以N/P比为1.1进行电池组装,得到所述液态电池。
本实施例提供的液态电池的容量为20Ah。
实验例1
实施例2和对比例2分别提供的固态电池和液态电池具有相同容量,且正极活性材料占比保持一致,从而使得电池安全性具有可比性。将实施例3和对比例3提供的电池分别进行电芯满充后,采用相同热箱测试条件(电芯1C满充电至4.25V,2℃/min升温至60℃保温4h,继而升温至130℃保温30min,200℃保温30min)进行热箱测试。
结果如图4(实施例3固态电池热箱测试结果图)、图5(对比例3固态电池热箱测试结果图)显示。由图4、图5可知,实施例3的固态电池的电芯可通过热箱测试,最高温度不超过200℃;而对比例3的固态电池的电芯仅保温11min即发生热失控,最高温度超过500℃。由此可知,本发明提供的技术方案,利用卤化物与正极的高温反应特性,在高温下迅速与正极发生反应并生成高内阻新相物质,从源头上控制电池短时急剧产热,从而显著降低电池热失控风险。
Claims (10)
1.一种正极极片,以正极极片的原料总质量为100%计,所述正极极片的原料包括:
正极活性材料80-98%;
离子导电剂1.5-10%;
电子导电剂0.5-5%;
助剂0-5%;
其中,所述正极活性材料选用锂材料;所述离子导电剂选用卤化物固态电解质。
2.根据权利要求1所述的正极极片,其中,所述正极活性材料包括锂镍钴锰氧化物、锂锰氧化物、锂锰镍氧化物、锂钴氧化物、锂镍钴氧化物、磷酸铁锂、磷酸锰锂和磷酸锰铁锂中的一种或两种以上的组合;
优选地,所述正极活性材料包括LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2、LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2、LiNi0.5Mn0.2Co0.3O2、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4、LiFePO4、LiMnPO4、Li[Lix(MnNi)1-x]O2、Li[Lix(MnCo)1-x]O2和Li[Lix(MnFe)1-x]O2中的一种或两种以上的组合。
3.根据权利要求1所述的正极极片,其中,所述卤化物固态电解质为LiαMXβ,其中,M选用In、Al、Ga、Sc、Bi、Fe、Y、La、Ho中的一种或两种以上的组合,X选用F、Cl、Br中的一种或两种以上的组合,0≤α≤10,1≤β≤13;
优选地,所述离子导电剂包括Li3YCl6、Li3InCl6、Li3ScCl6、Li3Y0.5In0.5Cl6、Li3Y0.1In0.9Br6、Li3Y0.5Bi0.5F6、Li2Ho0.3Al0.05In0.6Fe0.05Cl5中的一种或两种以上的组合。
4.根据权利要求1所述的正极极片,其中,所述电子导电剂包括导电炭黑、石墨烯、碳纳米管和碳纤维中的一种或两种以上的组合。
5.根据权利要求1所述的正极极片,其中,所述助剂包括丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚丙烯酰胺、聚丙烯均聚物或共聚物、丙烯酸丁酯-苯乙烯共聚物丙烯腈共聚物、丙烯酸丁酯、丙烯酸丁酯丙烯腈缩水甘油丙烯酸甲酯共聚物、丙烯腈-丁二烯共聚物,聚四氟乙烯、聚氧化乙烯、聚碳酸丙烯酯、聚碳酸乙烯酯、聚三亚甲基碳酸酯、聚ε-己内酯、氰基橡胶、聚偏氟乙烯和聚偏氟乙烯-六氟丙烯中的一种或两种以上的组合。
6.权利要求1-5任一项所述的正极极片的制备方法,其中,该方法包括:
将正极活性材料、离子导电剂、电子导电剂以及可选择地助剂混合、粉碎;然后压制成连续的膜作为正极极片;
优选地,在制备正极极片的过程中,不引入需要后续去除的溶剂。
7.权利要求1-5任一项所述的正极极片的制备方法,其中,该方法包括:
将所述正极活性材料、离子导电剂、电子导电剂以及可选择地助剂混合、粉碎;然后采用湿法涂布形成正极极片。
8.一种正极极板,其中,该正极极板包括集流体和设置于集流体表面的权利要求1-5任一项所述的正极极片;
优选地,所述正极极板的厚度为165-260μm,其中,正极极片与集流体厚度比为12:1-25:1;
优选地,所述正极极板的压实密度为3.4-3.8g/cm3。
9.根据权利要求8所述的正极极板,其中,
所述正极极板通过下述方式制备得到:
将正极活性材料、离子导电剂、电子导电剂以及可选择地助剂混合、粉碎;然后压制成连续的膜作为正极极片;
在集流体表面涂敷导电胶,将正极极片覆于集流体表面的导电胶上,热辊压将正极极片与集流体复合形成正极极板;
或者;
所述正极极板通过下述方式制备得到:
将正极活性材料、离子导电剂、电子导电剂以及可选择地助剂混合、粉碎,得到第一混合物;
采用湿法涂布将第一混合物涂布于集流体表面,经辊压形成正极极板。
10.一种固态电池,其中,所述固态电池包括依次设置的权利要求8或9所述的正极极板、电池隔膜和负极极板;
优选地,所述电池隔膜包括隔膜固态电解质膜和陶瓷隔膜中的一种。
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