CN114551875A - 包括铁电组分的二次电池正极及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种包括铁电组分的二次电池正极及其制造方法。制造二次电池正极的方法可以使用廉价材料作为铁电体，因此可以改善工艺效率。此外，二次电池正极包括铁电体，从而可以改善包括其的二次电池的输出性能，同时增加二次电池的高充电速率下的容量。

Description

包括铁电组分的二次电池正极及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种二次电池正极，其包括铁电体，从而改善二次电池的输出性能，同时提高二次电池在高充电速率(charge rate，充电率)下的容量。
背景技术
二次电池用作电动车辆或电池储能系统的大容量蓄电电池，以及用作便携式电子设备诸如移动电话、便携式摄像机和膝上型电脑的小型高性能能源。随着对便携式电子设备部件的轻量化和低功耗进行研究以使便携式电子设备小型化并长时间使用便携式电子设备，对小型高容量二次电池的需求增加。
锂离子电池，作为二次电池，比镍锰电池或镍镉电池具有更大的能量密度和更大的每单位面积容量。此外，锂离子电池自放电速率低且寿命长。此外，锂离子电池没有记忆效应，由此，锂离子电池具有使用方便和寿命长的特点。
然而，需要改善二次电池的输出性能，同时提高二次电池在高充电速率下的容量。
提供该背景技术部分中公开的上述信息仅用于加强对本发明背景的理解，因此，它可以包括不构成在本国对于本领域普通技术人员而言已知的现有技术的信息。
发明内容
在优选的方面，提供包括铁电组分(ferroelectric component，铁电体组分，铁电性组分，铁电体元件)的二次电池正极及其制造方法。
本发明的目的不限于上述那些。本发明的目的将通过以下描述清楚地理解，并且可以通过权利要求中限定的手段及其结合实现。
一方面，提供一种二次电池正极，其包括铁电组分、正极活性物质(positiveelectrode active material，正极活性材料)、粘合剂和导电剂。优选地，铁电组分的粒径可以合适地为100nm至5μm。
本文所使用的术语“铁电组分”或“铁电材料”是指具有自发电极化的物质或材料，其可响应于外部电场，或在施加电场时反转。铁电材料通常包括结晶化合物，其特征为化学纯度、相均匀性以及用于自发极化的颗粒尺寸和颗粒形状。
基于100wt％的正极，铁电组分的含量可以为约1wt％至10wt％。
铁电组分可以包括选自由BaTiO3、(Ba,Sr)TiO3、PbTiO3、LiNbO3、Pb(Zr,Ti)O3、SrBi2Ti2O9和无定形V2O5组成的组的一种或多种。
正极活性物质可包括选自由LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、LiNiCoMnO2、LiFeO4和LiMnCoNi3O2组成的组中的一种或多种。
另一方面，提供一种制造二次电池正极的方法。所述方法可包括以下步骤：制备包含铁电组分和第一溶剂的混合物(admixture)；制备包含活性物质、粘合剂、导电剂和第二溶剂的正极浆料；制备包含混合物和正极浆料的涂覆浆料(coating slurry)；将涂覆浆料施加到基板上；以及干燥施加的涂覆浆料。
混合物可以通过进行超声分散约7分钟至15分钟来制备。
涂覆浆料可以通过混合约7分钟至15分钟制备。
干燥可以在约75℃至95℃的温度下进行。
还提供一种包括正极的二次电池。优选地，二次电池在约2C至5C下可具有约120mAh/g至180mAh/g的容量。
本发明的其它方面在下文中讨论。
附图说明
现在将参考附图中示出的其优选示例性实施方式详细描述本发明的上述特征和其它特征，附图在下文中仅以示例的方式给出，因此不构成对本发明的限制，且其中：
图1示出根据本发明示例性实施方式的二次电池正极的示例性制造方法；
图2是示出根据实施例1至4和比较例1制造的二次电池的基于循环的容量(cycle-based capacity)的图；
图3是示出根据实施例1至4和比较例1制造的二次电池在高充电速率下基于循环的容量的图；且
图4是示出根据实施例1和比较例2制造的二次电池基于其中包含的铁电组分的粒径的XRD分析结果的图。
应理解，附图不是一定按比例绘制，呈现了描述本发明基本原理的各优选特征较为简单的说明。如本文所公开的，本发明的特定设计特征，包括例如特定尺寸、方向、位置和形状，将部分地由具体目标应用和使用环境确定。
在图中，附图的几幅图中的附图标记是指本发明的相同或等效部件。
具体实施方式
参照附图，从以下优选实施方式中将清楚地理解上述目的以及其它目的、特征和优点。然而，本发明不限于这些实施方式并且将以不同的形式体现。建议示例性实施方式仅用于提供对所公开内容的透彻和完整的理解，并充分告知本领域技术人员本发明的技术概念。
将进一步理解，术语“包括”、“具有”等在本说明书中使用时，指定存在所述的特征、数字、步骤、操作、元件、组分或其结合，但不排除存在或增加一种或多种其它特征、数字、步骤、操作、元件、组分或其组合。此外，应当理解，当诸如层、膜、区域或基板的元件被称为在另一个元件“上”时，它可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。还将理解的是，当诸如层、膜、区域或基板的元件被称为在另一个元件“下”时，它可以直接在另一个元件下方或者也可以存在中间元件。
除非上下文另有明确说明，否则说明书中使用的所有代表成分、反应条件、聚合物组成和混合物量的数量、数字和/或表述都是近似值，反映了在获得这些数字等过程中固有的各种测量不确定性。为此，应理解，在所有情况下，术语“约”应当修饰所有数量、数字和/或表达。此外，除非具体说明或从上下文显而易见，如本文所用，术语“约”应理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％范围内。除非上下文另有明确说明，否则本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。
此外，当说明书中公开数字范围时，除非另有定义，否则这些范围是连续的并且包括所述范围内从最小值到最大值的所有数字，包括最大值。此外，当范围是指整数时，除非另有定义，否则所述范围包括所述范围内从最小值到最大值的所有整数，包括最大值。
应当理解，在说明书中，当范围指代参数时，所述参数包括所述范围内公开的包括端点在内的所有数字。例如，“5至10”的范围包括数字5、6、7、8、9和10，并且包括落入所述范围内的适当整数之间的任意子范围，例如范围6至10、7至10、6至9和7至9，以及包括落入所述范围内的适当整数之间的任何数字，例如5.5、6.5、7.5、5.5至8.5和6.5至9。此外，例如，“10％至30％”的范围包括所有包括诸如10％、11％、12％和13％以及30％的数字的整数，并且包括落入所述范围内的适当整数之间的任何子范围10％至15％、12％至18％或20％至30％，以及包括落入所述范围内的适当整数之间的任何数字例如10.5％、15.5％和25.5％。
二次电池正极
特别地，提供一种可用于制造二次电池的二次电池正极，然而，没有特别限制，只要可以增加包括其的二次电池的输出和容量。
二次电池正极可包括铁电体、正极活性物质、粘合剂和导电剂。基于正极的总重量，正极可适当地包括约1wt％至10wt％的量的铁电体、约80wt％至95wt％的量的正极活性物质、约1wt％至10wt％的量的粘合剂、和约1wt％至10wt％的量的导电剂。
(1)铁电组分
铁电组分没有特别限制，只要可以使正极活性物质表面上的电荷分布均匀并且能够通过极化使锂离子快速移动，从而抑制金属离子的沉淀。
本文使用的铁电组分可以是已知的普通铁电组分，并且可以包括例如选自由以下组成的组的一种或多种：BaTiO3、(Ba,Sr)TiO3、PbTiO3、LiNbO3、Pb(Zr,Ti)O3、SrBi2Ti2O9和无定形V2O5。铁电组分的特征在于，铁电组分的相对介电常数和晶体结构随着被代替的元素的种类和温度而改变，并且在于，铁电组分表现出介电性的程度改变。具体而言，当铁电组分具有双钙钛矿结构时，铁电组分可具有正热系数(positive thermal coefficient)(PTC)特性，其中电阻在预定温度或更高温度下增加。因此，铁电性可以在期望的温度范围内表现出来，并且铁电组分可以用于电池中以提高电池的安全性和耐受低温的能力。同时，通过加入这种铁电材料制造的二次电池正极的特征在于，可以在所需的温度范围内保持二次电池正极的铁电性，并且在于，二次电池正极的居里温度Tc可以根据加入的元素而调节，使得二次电池正极可以在特定的温度范围内或不受使用温度的限制运行。因此，铁电组分优选地可以包括BaTiO3，其有效地抑制由于金属离子的沉淀而发生的电解液的分解反应。这样，可以抑制高温保留(high-temperature retention)时电池的性能下降或电池的剩余容量和恢复容量的下降，并且由于在预定温度或更高温度下电阻增加而提高安全性，尽管不限于包括特定成分。
铁电组分的粒径可以为约100nm至5μm，特别是约1至3μm。当铁电组分的粒径小于约100nm时，铁电组分的介电常数可能会降低。当铁电组分的粒径大于约5μm时，接触面积可能减小，并且浆料质量可能劣化。
基于100wt％的正极，铁电组分的含量可为约1wt％至10wt％。当铁电成分的含量小于约1wt％时，铁电成分的介电常数可能没有足够的效果。当铁电组分的含量大于约10wt％时，活性物质的百分比可能降低，因此电池的容量可能降低。
因此，二次电池正极的特征在于，二次电池正极包括铁电体，使得可以使正极活性物质表面上的电荷分布均匀并且能够使锂离子通过极化快速移动，从而抑制金属离子的沉淀。这样，可以有效地抑制由于金属离子的沉淀而发生的电解液的分解反应。此外，可以抑制高温保留时电池的性能下降或电池的剩余容量和恢复容量的下降，并且由于在预定温度或更高温度下电阻增加而提高安全性，从而可以提高包括该二次电池正极的二次电池的输出性能，同时在二次电池的高充电速率下增加容量。
(2)正极活性物质
正极活性物质没有特别限制，只要是可以吸收和释放(occlude and discharge)锂离子。
正极活性物质可包括可用在本发明中的普通正极活性物质。例如，正极活性物质可以包括层状化合物，例如锂钴氧化物(LiCoO2)或锂镍氧化物(LiNiO2)，或者用一种或多种过渡金属替代的化合物；由化学式Li1+xMn2-xO4(其中x＝0至0.33)表示的锂锰氧化物，或例如LiMnO3、LiMn2O3或LiMnO2的锂锰氧化物；锂铜氧化物(Li2CuO2)；钒氧化物，如LiV3O8、LiFe3O4、V2O5或Cu2V2O7；由化学式LiNi1-xMxO2表示的镍位锂镍氧化物(Ni-sited lithiumnickel oxide，镍定位锂镍氧化物)(其中M＝Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B或Ga，x＝0.01至0.3)；由化学式LiMn2-xMxO2(其中M＝Co、Ni、Fe、Cr、Zn或Ta，并且x＝0.01至0.1)或化学式Li2Mn3MO8(其中M＝Fe、Co、Ni、Cu或Zn)表示的锂锰复合氧化物；LiMn2O4，其中化学式中部分Li被碱土金属离子代替；二硫化物；或Fe2(MoO4)3。其中，正极活性物质可为LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、LiMnCoNiO2、LiNiCoMnO2或LiFeO4。正极活性物质优选可包括LiNiCoMnO2或LiNiCoMnO2与至少一种其它材料的基于其比率、粒径或性质的混合物，尽管不限于包括特定成分。
根据本发明的正极活性物质的含量基于100wt％的正极可为约80wt％至95wt％。当正极活性物质的含量小于约80wt％时，电池容量可能降低。当正极活性物质的含量大于约95wt％时，电极稳定性可能由于粘附性降低而降低，或者容量可能由于导电性降低而降低。
(3)粘合剂
粘合剂没有特别限制，只要可以有助于活性物质和导电剂之间的粘合以及与集流体(current collector，集电器)的粘合。
粘合剂可包括选自由以下组成的组的一种或多种：聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(EPDM)。磺化的EPDM、丁苯橡胶、氟橡胶和各种共聚物。粘合剂可以优选地包括聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的混合物，并且可以进一步包括至少一种其它材料，尽管不限于包括特定成分。
粘合剂的含量基于100wt％的正极可为约2wt％至5wt％。当粘合剂的含量小于约2wt％时，电极粘附性可能降低，电极可能不稳定并因此其寿命可能降低。当粘合剂的含量大于约5wt％时，活性物质的量可能减少，并且容量可能降低。
(4)导电剂
导电剂没有特别限制，只要导电剂表现出高导电性，而不在应用导电剂的电池中引起任何化学变化。
导电剂可包括可用在本发明中的普通导电剂。导电剂可以包括例如选自由以下组成的组的一种或多种：石墨，例如天然石墨或人造石墨；炭黑类，如炭黑、乙炔黑、科琴黑、槽法炭黑、炉黑、灯黑或夏用黑(summer black)；导电纤维，如碳纤维或金属纤维；金属粉末，例如氟化碳粉、铝粉或镍粉；导电晶须，如氧化锌或钛酸钾；导电金属氧化物，例如氧化钛；和聚亚苯基衍生物(polyphenylene derivative)。导电剂可优选包括炭黑和石墨的混合物，尽管不限于包括特定成分。
导电剂的含量基于100wt％的正极可为约3wt％至10wt％。当导电剂的含量小于约3wt％时，导电路径可能减少，并且容量可能降低。当导电剂的含量大于约10wt％时，活性物质的含量可能降低，并且容量可能降低。
此外，可以任选地使用作为抑制正极膨胀的成分的填料。对填料没有特别限制，只要填料在应用填料的电池中不引起化学变化，并且填料由可用在本发明中的已知为常规填料的纤维材料组成。例如，可使用烯烃聚合物，如聚乙烯或聚丙烯；或者可使用纤维材料，例如玻璃纤维或碳纤维。
图1示出了根据本发明示例性实施方式制造二次电池正极的示例性方法。所述方法包括：步骤(S10)，铁电组分分散在第一溶剂中以制备混合物；步骤(S20)，将活性物质、粘合剂、导电剂和第二溶剂彼此混合以制备正极浆料；步骤(S30)，将混合物和正极浆料彼此混合以制备涂覆浆料；步骤(S40)，将涂覆浆料施加到基板；和步骤(S50)，干燥施加的涂覆浆料。
第一溶剂和第二溶剂可以相同或不同。
制备混合物的步骤(S10)可以包括将铁电组分和溶剂彼此混合以使铁电组分分散在溶剂中的步骤，该混合物在随后的步骤中与正极浆料混合。铁电组分可以与上述铁电组分相同。溶剂可包括可用在本发明中的常规溶剂，并可包括例如N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N,N-二甲基氨基丙胺、环氧乙烷或四氢呋喃。溶剂可优选包括N-甲基吡咯烷酮，尽管不限于包括特定成分。混合物可通过超声分散约7分钟至15分钟来制备。当分散时间小于约7分钟时，分散不充分进行，从而限制了添加效果。当分散时间大于约15分钟时，溶剂可能被产生的热量蒸发，或者制备时间延长。
制备正极浆料的步骤(S20)可以包括将活性物质、粘合剂、导电剂和第二溶剂彼此混合以制备正极浆料的步骤。活性物质、粘合剂和导电剂可以与上述活性物质、粘合剂和导电剂相同。此外，第二溶剂可包括或为上述第一溶剂。涂覆浆料可以通过混合约7分钟至15分钟来制备。当混合时间小于约7分钟时，分散可能不充分进行并且电极可能不均质化，从而容量降低并因此其寿命降低。当混合时间大于约15分钟时，制造时间可能会延长。
制备涂覆浆料的步骤(S30)和将涂覆浆料施加到基板的步骤(S40)可以包括将制备的混合物和正极浆料彼此混合以制备涂覆浆料和将涂覆浆料施加到基板。混合物和正极浆料可以与上述混合物和正极浆料相同。基板可包括普通基板，例如作为集流体的铝箔、镍箔、铜箔或涂碳箔。基板可优选地包括铝箔，尽管不限于特定种类。此外，将涂覆浆料施加至基板的方法可包括可用在本发明中的常规施加方法，并且可以使用例如刮刀法、压铸法、逗号涂布法(comma coating method)或丝网印刷法。可优选使用刮刀法或压铸法，尽管该方法不限于特定方法。
干燥步骤(S50)可以包括干燥所施加的涂覆浆料以制造二次电池正极的步骤。干燥可以在约75℃至95℃的温度下进行。当干燥温度低于约75℃时，溶剂可能会残留。当干燥温度大于约95℃时，电极构成材料可能变性。
因此，制造二次电池正极的方法的特征在于，使用廉价材料作为铁电体，并且可以提高其工艺效率。此外，可以使正极活性物质表面的电荷分布均匀化，使锂离子通过极化快速移动，从而抑制金属离子的沉淀(precipitation)，并且可以提高包括所述二次电池正极的二次电池的输出性能，同时增加二次电池在高充电速率下的容量。
实施例
在下文中，将参考具体实施例更详细地描述本发明。然而，以下实施例仅为帮助理解本发明的说明，本发明不受以下实施例的限制。
实施例1-制造包括二次电池正极的二次电池
二次电池正极制造如下。具体地，(S10)将10g粒径为0.1μm的作为铁电体的BaTiO3与90g作为溶剂的NMP混合，并使用超声波在溶剂中分散10分钟以制备混合物。随后，(S20)将62.5g作为活性物质的NMC、4.7g作为粘合剂的PVdF、2.7g作为导电剂的炭黑和石墨以及48g作为溶剂的NMP彼此混合25分钟以制备正极浆料。随后，(S30和S40)将制备的混合物和制备的正极浆料彼此混合以制备涂覆浆料，并且使用刮刀法将涂覆浆料施加到作为基板的铝上。随后，(S50)将施加的涂覆浆料在90℃的温度下干燥12小时以制造正极。此时，作为铁电体的BaTiO3的含量为基于100wt％正极的1wt％。
随后，最终使用2032纽扣电池制造法制造二次电池。
实施例2-制造包括二次电池正极的二次电池
以与实施例1相同的方法制造二次电池，与实施例1相比，不同之处在于，在作为铁电体的BaTiO3的含量为基于100wt％正极的5wt％的条件下制造正极。
实施例3-制造包括二次电池正极的二次电池
以与实施例1相同的方法制造二次电池，与实施例1相比，不同之处在于，使用粒径为2μm的BaTiO3作为铁电体制造正极。
实施例4-制造包括二次电池正极的二次电池
以与实施例1相同的方法制造二次电池，与实施例2相比，不同之处在于，使用粒径为2μm的BaTiO3作为铁电体制造正极。
比较例1-制造包括二次电池正极的二次电池
以与实施例1相同的方法制造二次电池，与实施例1相比，不同之处在于，制造正极但不包括铁电体。
比较例2-制造包括二次电池正极的二次电池
以与实施例1相同的方法制造二次电池，与实施例1相比，不同之处在于，使用粒径小于100nm的BaTiO3作为铁电体制造正极。
实验实施例1-基于铁电体含量的二次电池之间的容量比较
将根据实施例1至4制造的二次电池和根据比较例1制造的二次电池的容量相互比较，结果示于图2和图3中。
如图2和图3所示，可以看出，在5C、3C和2C的高充电速率下，根据实施例1至4制造的二次电池(其中每个都包括铁电组分)的容量比根据比较例1制造的二次电池(其中不包括铁电组分)的容量高了120mAh/g至180mAh/g。
实验实施例2-基于铁电体粒径的二次电池XRD分析
将根据实施例1制造的二次电池和根据比较例2制造的二次电池通过XRD分析相互比较，结果示于图4中。
如图4所示，可以看出，根据实施例1制造的二次电池(其中包括具有2μm粒径的铁电组分)具有比根据比较例2制造的二次电池(其中包括具有100nm的粒径的铁电组分)更高的铁电性，这是因为(00a)和(a00)峰彼此分离，由此，实施例1中的铁电组分能够合适地用作根据本发明的铁电组分。
因此，根据本发明的各种示例性实施方式的二次电池正极的特征在于，正极中包含1wt％至10wt％的粒径为100nm至2μm的铁电组分，从而可以使正极活性物质表面的电荷分布均匀，并使锂离子通过极化快速移动，从而抑制金属离子的沉淀。此外，可以有效地抑制由于金属离子沉淀而发生的电解液的分解反应，并且在高温保留时可以抑制电池性能的下降或抑制电池剩余容量和恢复容量的下降，以及由于在预定温度或更高温度下电阻增加而提高安全性。此外，可以提高包括二次电池正极的二次电池的输出性能，同时增加二次电池在高充电速率下的容量。
根据本发明的各示例性实施方式，制造二次电池正极的方法可以使用廉价材料作为铁电体，因此可以获得高的工艺效率。此外，二次电池正极可以包括铁电体，从而可以提高包括二次电池正极的二次电池的输出性能，同时增加二次电池在高充电速率下的容量。
本发明的效果不限于上述效果。应理解，本发明的效果包括本发明的上述描述可以推断出的所有效果。
本发明已经参考其示例性实施方式进行了详细描述。然而，本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施方式进行改变，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种二次电池正极，包括铁电组分、正极活性物质、粘合剂和导电剂，
其中，所述铁电组分具有100nm至5μm的粒径。
2.根据权利要求1所述的正极，其中，基于100wt％的所述正极，所述铁电组分的含量为1至10wt％。
3.根据权利要求1所述的正极，其中，所述铁电组分包括选自由以下组成的组中的一种或多种：BaTiO3、(Ba,Sr)TiO3、PbTiO3、LiNbO3、Pb(Zr,Ti)O3、SrBi2Ti2O9和无定形V2O5。
4.根据权利要求1所述的正极，其中，所述正极活性物质包括选自由以下组成的组中的一种或多种：LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、LiNiCoMnO2、LiFeO4和LiMnCoNi3O2。
5.一种制造二次电池正极的方法，包括：
制备包含铁电组分和第一溶剂的混合物；
制备包含活性物质、粘合剂、导电剂和第二溶剂的正极浆料；
制备包含所述混合物和所受正极浆料的涂覆浆料；
将所述涂覆浆料施加至基板；和
干燥施加的所述涂覆浆料。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述混合物通过进行超声分散7分钟至15分钟来制备。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述涂覆浆料通过使所述混合物与所述正极浆料混合7分钟至15分钟来制备。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述干燥在75℃至95℃的温度下进行。
9.一种二次电池，包括根据权利要求1所述的正极，其中，所述二次电池在2C至5C下具有120mAh/g至180mAh/g的容量。
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