CN114725319A - 正极、正极浆料、制备方法及锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正极、其制备方法和锂离子电池。所述正极包括集流体和设置于所述集流体的至少一侧表面的正极材料层,所述正极材料层中的正极材料包括含锰正极材料,所述正极材料层的内部和/或在远离所述集流体一侧的表面设置有络合剂。本发明的正极中,由于所述正极材料层的内部和/或在远离所述集流体一侧的表面设置有络合剂,因此采用其制备的电池在充放电过程中能有效捕获溶出的锰离子,改善电池的循环性能。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池材料技术领域,具体涉及一种正极、正极浆料、制备方法及锂离子电池。
背景技术
面对环境污染、能源危机等全球性问题,新能源的研发日益受到人们的关注和重视。目前,锂离子电池由于其具有能量密度高、功率密度高、循环寿命长等优点,在电脑、手机、电动汽车等诸多领域得到了广泛应用。其中,磷酸铁锂具有电压平台高、安全性突出以及环境友好等优点,被认为是最具潜力的电池材料之一。磷酸锰铁锂(LMFP)具有比磷酸锰铁锂更高的能量密度,但电导率低,倍率性能及循环性能稍差。而LMFP循环性能差的主要原因在于存在锰溶出,溶出的锰会堵塞正极和负极之间的隔膜,或在负极上形成锰化合物,从而导致电池电阻上升,严重影响电池的循环寿命。
现有技术通常采用对磷酸锰铁锂正极材料进行掺杂或包覆以解决上述问题,例如,CN114256448A公开了一种磷酸锰铁锂复合材料,包括内核以及包覆所述内核的包覆层,所述包覆层包括至少一层阻隔材料层和至少一层磷酸锰铁锂层,所述阻隔材料层和所述磷酸锰铁锂层依次交替层叠设置在所述内核的表面,通过设置包裹层包裹磷酸锰铁锂内核,有效改善了磷酸锰铁锂复合材料中锰溶出现象的发生,保证了磷酸锰铁锂复合材料的结构稳定性和电化学稳定性,有利于在锂离子电池中的应用,提升锂离子电池的性能。还有研究通过对正极的结构改进解决上述问题,例如CN111092194A公开了一种正极极片,包括集流体以及依次设置在集流体表面的第一活性物质层以及第二活性物质层;第一活性物质层包括第一正极活性材料,第一正极活性材料包括式(I)Li1+x1Mna1M1-a1O2-y1Ay1所示化合物或式(II)Li1+x2Mna2N2-a2O4-y2By2所示化合物中的至少一种;第二活性物质层包括第二正极活性材料,第二正极活性材料的pH值为10~12。本发明通过将含有高pH值正极活性材料的活性物质层设置在含有锂锰基活性物质层的外侧,制成分层电极极片,可以在保持电芯功率性能不受影响的情况下,极大程度降低正极极片中锂锰基活性材料中锰金属元素的溶出量,从而改善电芯高温性能。
但是,上述方法对于改善锰溶出的效果有待进一步改善,同时,进一步寻求简单的降低锰溶出的方法,更好地适应锂离子电池的产业化发展的需求具有重要的研究意义。
发明内容
现有技术中存在的上述问题,本发明的目的在于提出一种正极、正极浆料、制备方法及锂离子电池。
为达上述目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供一种正极,所述正极包括集流体和设置于所述集流体的至少一侧表面的正极材料层,所述正极材料层中的正极材料包括含锰正极材料,所述正极材料层的内部和/或在远离所述集流体一侧的表面设置有络合剂。
本发明的正极中,由于所述正极材料层的内部和/或在远离集流体一侧的表面设置有络合剂,因此采用其制备的电池在充放电过程中能有效捕获溶出的锰离子,改善磷酸锰铁锂等含锰正极材料制成的电池的循环性能。同时,由于络合剂设置于正极材料层的内部和/或在远离所述集流体一侧的表面,可以通过更简单的工艺实现,例如在正极混浆中直接加入,而无需引入额外的工序,也可以通过在涂布工序涂覆一层络合剂溶液实现。进一步地,对于一些具有酸性的络合剂,可以中和部分残碱,改善匀浆过程中因残碱导致的浆料变色和浆料凝胶化的问题。
在一实施例中,所述正极材料层的内部和在远离所述集流体一侧的表面均设置有络合剂,络合剂分散于正极材料之间,与表面的络合剂共同配合,更好地与充放电过程中溶出的锰离子进行络合。
以下作为本发明优选的技术方案,但不作为对本发明提供的技术方案的限制,通过以下优选的技术方案,可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
优选地,所述正极材料层在远离所述集流体一侧的表面设置有络合剂,所述设置的方式包括:络合剂以络合剂层的形式包覆正极材料层,所述络合剂层具有多孔结构。该方式使得络合剂间的距离更加紧密,有利于对溶出的锰离子进行拦截。
优选地,所述络合剂层的厚度为0.1nm-0.8nm,例如0.1nm、0.2nm、0.3nm、0.4nm、0.5nm、0.6nm或0.7nm等。外层的络合剂层不宜过厚,若厚度过厚有可能影响电解液的浸润性,在上述的优选范围内,可以更好地兼顾提升循环性能,并避免因影响电解液浸润性而导致的电化学性能下降。
优选地,以所述正极中的含锰正极材料的质量为基准,所述络合剂的总质量为0.1-1%,例如0.1%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%或1%等。若络合剂的含量过多,则会导致克容量降低,循环性能变差;若络合剂的含量过少,则与溶出的锰离子等结合效率下降,使得循环性能下降。
优选地,所述络合剂的种类独立地包括沉淀型螯合剂、络合型螯合剂、磷酸盐类螯合剂和有机多元磷酸类螯合剂中的至少一种,优选为络合型螯合剂;
优选地,所述沉淀型螯合剂包括碳酸钠和正磷酸钠中的至少一种;
优选地,所述络合型螯合剂包括乙二胺四乙酸、乙二胺四乙酸二钠盐、乙二胺四乙酸四钠盐、次氨基三乙酸二钠、柠檬酸、酒石酸和葡萄糖酸中的至少一种;
优选地,所述磷酸盐类螯合剂包括三聚磷酸钠和六偏磷酸钠中的至少一种;
优选地,所述有机多元膦酸类螯合剂包括羟基乙叉二膦酸和乙二胺四甲叉膦酸中的至少一种。
本发明对含锰正极材料的种类不作具体限定,例如可以是包括但不限于磷酸锰铁锂、锰酸锂、镍锰酸锂和镍钴锰酸锂中的至少一种,其他本领域常用的有可能面临锰离子溶出问题的含锰正极材料也可用于本发明。
本发明中,磷酸锰铁锂可以是未掺杂的磷酸锰铁锂,也可以是掺杂的磷酸锰铁锂,本发明不作具体限定,对于掺杂的磷酸锰铁锂,其中的掺杂元素包括但不限于Ti、V、Mg、Si、Al、La、Ca、Cr、Ni、Co、Mo、Zr、Nb、Y、W、Sr和B中的至少一种。
可选的,本发明中的磷酸锰铁锂还可以是表面包覆处理的磷酸锰铁锂,表面的包覆物包括但不限于碳材料。
本发明对集流体的种类不作限定,本领域技术人员可选择现有技术中常见的正极集流体,示例性而非限制性地,可以是铝箔,也可以是涂炭铝箔。
优选地,所述正极材料层还包括导电剂和粘结剂。
本发明对导电剂和粘结剂的种类不作具体限定,示例性而非限制性地,导电剂可以包括乙炔黑、Super P、石墨烯、碳纳米管、科琴黑和碳纤维中的一种或多种。粘结剂可以为聚偏氟乙烯(PVDF)。
第二方面,本发明提供一种用于制备第一方面所述正极的正极浆料,所述正极浆料包括浆料主材、络合剂和溶剂,所述浆料主材包括正极材料,所述正极材料包括含锰正极材料,所述正极浆料用于形成正极中的正极材料层,所述正极材料层的内部和表面有络合剂。
由于浆料中引入络合剂,可以采用现有技术的常规工艺进行正极材料层的制备,对现有工艺的调整小,而且形成的正极材料层的内部和表面有络合剂,因而可以在充放电过程中有效发挥络合充放电过程中溶出的锰离子的作用,提升电池的循环性能。
优选地,以所述正极浆料中的正极材料的质量为基准,所述络合剂的含量为0.1-1%,例如0.1%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%或1%等。
优选地,所述溶剂包括N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
优选地,所述浆料主材中还包括导电剂和粘结剂。
第三方面,本发明提供一种如第二方面所述的正极浆料的制备方法,所述方法包括:
将浆料主材、络合剂和导电剂加入球磨机中进行球磨,所述球磨的频率为15-45Hz,例如15Hz、20Hz、25Hz、27Hz、30Hz、33Hz、35Hz、40Hz或45Hz等;所述球磨的时间为0.5-2h,例如0.5h、0.7h、0.8h、1h、1.2h、1.3h、1.5h、1.7h、1.8h或2h等。通过球磨可以将有可能存在的团聚体打散、细化颗粒,还可以提升络合剂以及其他物料的混合均匀性。
第四方面,本发明提供一种采用第二方面所述的正极浆料制备正极的方法,所述方法包括以下步骤:
采用第二方面所述的正极浆料涂覆至集流体的至少一侧表面,干燥后在集流体的表面形成正极材料层,所述正极材料层的内部及其表面分散有络合剂,得到所述的正极。
第五方面,本发明提供又一种制备正极的方法,所述方法包括以下步骤:
(A)分别提供络合剂溶液和正极浆料:
所述络合剂溶液通过将络合剂溶于水中得到;
(B)涂覆:
将所述的正极浆料和络合剂溶液涂覆至集流体的至少一侧表面,所述络合剂溶液远离所述集流体,所述正极浆料靠近所述集流体,干燥后,在集流体的至少一侧表面形成正极材料层,在所述正极材料层的表面形成络合剂层,因为络合剂溶液中的水在干燥过程中挥发,因此干燥后形成的络合剂层为多孔结构,避免影响电解液的浸润性。
上述步骤(A)中的正极材料,可以采用第二方面所述的正极浆料(其中包含络合剂),也可以采用现有技术中公开的正极浆料(例如直接将正极材料、导电剂和粘结剂等的浆料主材与溶剂混合制得),本领域技术人员可根据需要进行选择。当选用第二方面所述的正极浆料时,在正极材料层的内部也可以分散络合剂。
优选地,步骤(A)所述络合剂溶液的质量分数为60-80%,例如60%、62%、65%、67%、68%、70%、73%、75%、78%或80%等。
本发明对涂覆的方式不作限定,可以采用本领域常用的涂覆工艺,例如刮涂。对于涉及络合剂溶液涂覆和正极浆料这两种浆料的涂覆的情况,可以采用先涂覆络合剂溶液,干燥后再涂覆正极浆料的方式,也可以采用现有技术公开的双层涂覆工艺,本领域技术人员可根据需要进行选择。
作为本发明所述方法的一个优选的技术方案,所述方法包括以下步骤:
取LiMnxFe1-xPO4活性组分(其中,0.1≤x≤0.8,例如x可以是0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7或0.8等)、络合剂、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF),N-甲基吡咯烷酮溶液(NMP溶液)混合,在真空搅拌机中搅拌,制得正极浆料,其中,络合剂选自沉淀型螯合剂、络合型螯合剂、磷酸盐类螯合剂和有机多元磷酸类螯合剂中的至少一种。
将正极浆料均匀地涂布在铝箔上,烘干、辊压、冲片作为正极片。
第六方面,本发明提供一种锂离子电池,包括正极、负极、隔膜和电解液,其特征在于,所述正极采用第一方面所述的正极。
本发明的锂离子电池由于采用了第一方面所述的正极,可以有效捕获电池充放电过程中溶出的锰离子,从而提升磷酸锰铁锂电池的循环性能。
本发明对锂离子电池的种类不作具体限定,例如可以是全电池、也可以是半电池,可以是软包电池、也可以是扣电电池。
本发明对锂离子电池的制备方法不作限定,可以采用本领域主流的制备方法,示例性而非限制性地,按照下述方法进行制备:将正极、负极、隔膜和电解液在充满惰性气氛的手套箱中组装成CR2025型扣式锂离子电池。
与已有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明的正极中,由于所述正极材料层的内部和/或在远离集流体一侧的表面设置有络合剂,因此采用其制备的电池在充放电过程中能有效捕获溶出的锰离子,改善磷酸锰铁锂等含锰正极材料制成的电池的循环性能。同时,由于正极具有上述结构,可以通过更简单的工艺实现,例如在正极混浆中直接加入,而无需引入额外的工序,也可以通过在涂布工序涂覆一层络合剂溶液实现。进一步地,对于一些具有酸性的络合剂,可以中和部分残碱,改善匀浆过程中因残碱导致的浆料变色和浆料凝胶化的问题。
附图说明
图1是实施例1和对比例1的循环性能曲线图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明对正极材料的制备方法不作限定,示例性地,本发明实施例部分采用的正极材料的制备方法包括下述步骤:
正极材料活性组分制备:
(1)取495.61g Li2CO3、486.67g Fe(NO3)3、1000g(NH4)3PO4、840.20gMn(NO3)2、82.70g蔗糖、992.36g水混合均匀得到浆料,浆料于喷雾干燥机进行喷雾干燥。
(2)喷雾干燥样品于管式炉中,氮气氛下,程序升温至500℃恒温12h;
(3)一烧样品粉碎后补加33.08g蔗糖,氮气氛下,700℃焙烧8h,粉碎即为LiMn0.7Fe0.3PO4活性组分。
本领域技术人员应该理解,上述制备方法仅作为示例性地列举,而不构成对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供一种LiMn0.7Fe0.3PO4正极,通过采用该LiMn0.7Fe0.3PO4正极制备的电池的循环性能得到提升,所述LiMn0.7Fe0.3PO4正极包括集流体和设置于所述集流体一侧表面的正极材料层,所述正极材料层的内部及其表面分散有络合剂,所述集流体为铝箔,所述络合剂为EDTA,以LiMn0.7Fe0.3PO4的质量为100%计,EDTA的含量为0.15%。
所述LiMn0.7Fe0.3PO4正极的制备方法包括如下步骤:
将800g正极活性组分LiMn0.7Fe0.3PO4、1.20g乙二胺四乙酸(EDTA)、100g导电剂乙炔黑、100g粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF),加入到800g的N-甲基吡咯烷酮溶剂(NMP溶剂)中,在真空搅拌机中搅拌2h(搅拌的速度为98r/min),制得正极浆料;将浆料均匀地涂布在铝箔上,然后置于真空干燥箱中120℃干燥12h,辊压后冲切成直径14mm的圆片作为正极片。
采用上述的LiMn0.7Fe0.3PO4正极作为正极片组装锂离子电池,包括以下步骤:
将正极片、负极片(直径14.5mm的金属锂片)、隔膜(Celgard 2400微孔聚丙烯膜)和电解液(1mo1/L LiPF6/EC+DMC(体积比1:1))在充满惰性气氛的手套箱中组装成CR2025型扣式锂离子电池。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于,调整EDTA的添加量,使得LiMn0.7Fe0.3PO4正极中,EDTA的含量为0.01%。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于,调整EDTA的添加量,使得LiMn0.7Fe0.3PO4正极中,EDTA的含量为2%。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于,将真空搅拌替换为球磨,球磨的频率为30Hz,球磨的时间为2h。
实施例5
本实施例提供一种LiMn0.7Fe0.3PO4正极,通过采用该LiMn0.7Fe0.3PO4正极制备的电池的循环性能得到提升,所述LiMn0.7Fe0.3PO4正极包括集流体和设置于所述集流体一侧表面的正极材料层,所述正极材料层的内部及其表面分散有络合剂,所述集流体为铝箔,所述络合剂为乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA-2Na),以LiMn0.7Fe0.3PO4的质量为100%计,EDTA-2Na的含量为0.15%。
所述LiMn0.7Fe0.3PO4正极的制备方法包括如下步骤:
将1.20g EDTA-2Na络合剂溶于水中,得到络合剂溶液,质量分数为60%;
将800g正极活性组分LiMn0.7Fe0.3PO4、100g导电剂乙炔黑、100g粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF),加入到800g的N-甲基吡咯烷酮溶剂(NMP溶剂)中,在真空搅拌机中搅拌2h(搅拌的速度为98r/min),制得正极浆料;
将正极浆料均匀地涂覆至铝箔的一侧表面,干燥后将络合剂溶液涂覆至正极材料层的表面,然后置于真空干燥箱中120℃干燥12h,所述络合剂层为多孔结构,辊压后冲切成直径14mm的圆片作为正极片。
采用上述的LiMn0.7Fe0.3PO4正极作为正极片组装锂离子电池,包括以下步骤:
将正极片、负极片(直径14.5mm的金属锂片)、隔膜(Celgard 2400微孔聚丙烯膜)和电解液(1mo1/L LiPF6/EC+DMC(体积比1:1))在充满惰性气氛的手套箱中组装成CR2025型扣式锂离子电池。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于,LiMn0.7Fe0.3PO4正极中不含EDTA。
循环性能测试:
把各个实施例和对比例制作好的电池,在25±0.5℃条件下,用锂离子电池充放电测试系统进行充放电测试,充放电条件:充电终止电压4.3V;放电终止电压2V;充放电电流密度:1C,循环性能为1C条件下循环200周的循环性能,结果参见表1。
实施例1和对比例1的循环性能曲线图如图1所示,从图1可以看出,通过在正极材料层远离所述集流体一侧的表面引入络合剂,相比于未引入络合剂的电池,循环性能得到明显改善。
锰离子溶出测试:
电池经循环测试后,拆解电池的金属锂片负极,将金属锂片负极用0.1mol/L的HCl水溶液进行溶解,用AAS测试HCl溶液中的锰离子的量,以此对比各实施/对比例中电池的循环锰溶出情况。
表1
由表1可知,本发明通过在正极材料层远离所述集流体一侧的表面引入络合剂,能够有效改善电池的循环性能。
对比实施例1与实施例2-3可知,添加络合剂会降低材料的克容量,过多的添加量材料克容量降低明显,循环性能变差;过少则与溶出的锰离子等结合效率下降,使得循环性能下降。
对比实施例1与实施例4可知,通过球磨的方式对引入络合剂的正极浆料进行混合,可以更好地提升电池性能,这可能是因为球磨可以打散团聚体、细化颗粒,同时提升混料的均匀性。
对比实施例1与对比例1,未加入络合剂的正极材料锰溶出量高,电化学性能下降,尤其是循环性能大幅下降。
本发明实施例部分仅选用磷酸锰铁锂正极材料进行示例性说明,而不构成对本发明的限定,对于其他的含锰正极材料,例如锰酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰酸锂,本发明的方法也能很好地降低锰溶出,提升电化学性能,尤其是提升循环性能。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法,但本发明并不局限于上述详细方法,即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种正极,其特征在于,所述正极包括集流体和设置于所述集流体的至少一侧表面的正极材料层,所述正极材料层中的正极材料包括含锰正极材料,所述正极材料层的内部和/或在远离所述集流体一侧的表面设置有络合剂。
2.根据权利要求1所述的正极,其特征在于,所述正极材料层在远离所述集流体一侧的表面设置有络合剂,所述设置的方式包括:络合剂以络合剂层的形式包覆正极材料层,所述络合剂层具有多孔结构;
优选地,所述络合剂层的厚度为0.1nm-0.8nm。
3.根据权利要求1或2所述的正极,其特征在于,以所述正极中的含锰正极材料的质量为基准,所述络合剂的总质量为0.1-1%;
优选地,所述络合剂的种类独立地包括沉淀型螯合剂、络合型螯合剂、磷酸盐类螯合剂和有机多元磷酸类螯合剂中的至少一种,优选为络合型螯合剂;
优选地,所述沉淀型螯合剂包括碳酸钠和正磷酸钠中的至少一种;
优选地,所述络合型螯合剂包括乙二胺四乙酸、乙二胺四乙酸二钠盐、乙二胺四乙酸四钠盐、次氨基三乙酸二钠、柠檬酸、酒石酸和葡萄糖酸中的至少一种;
优选地,所述磷酸盐类螯合剂包括三聚磷酸钠和六偏磷酸钠中的至少一种;
优选地,所述有机多元膦酸类螯合剂包括羟基乙叉二膦酸和乙二胺四甲叉膦酸中的至少一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的正极,其特征在于,所述含锰正极材料包括磷酸锰铁锂、锰酸锂、镍锰酸锂和镍钴锰酸锂中的至少一种;
优选地,所述正极材料层还包括导电剂和粘结剂。
5.一种用于制备如权利要求1-4任一项所述正极的正极浆料,其特征在于,所述正极浆料包括浆料主材、络合剂和溶剂,所述浆料主材包括正极材料,所述正极材料包括含锰正极材料,所述正极浆料用于形成正极中的正极材料层,所述正极材料层的内部和表面有络合剂;
优选地,以所述正极浆料中的正极材料的质量为基准,所述络合剂的含量为0.1-1%;
优选地,所述溶剂包括N-甲基吡咯烷酮;
优选地,所述浆料主材中还包括导电剂和粘结剂。
6.一种如权利要求5所述的正极浆料的制备方法,其特征在于,所述方法包括:
将浆料主材、络合剂和导电剂加入球磨机中进行球磨,所述球磨的频率为15-45Hz,所述球磨的时间为0.5-2h。
7.一种采用权利要求5所述的正极浆料制备正极的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
采用权利要求5所述的正极浆料涂覆至集流体的至少一侧表面,干燥后在集流体的表面形成正极材料层,所述正极材料层的内部及其表面分散有络合剂,得到所述的正极。
8.一种如权利要求2所述的正极的制备方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
(A)分别提供络合剂溶液和正极浆料:
所述络合剂溶液通过将络合剂溶于水中得到;
(B)涂覆:
将所述的正极浆料和络合剂溶液涂覆至集流体的至少一侧表面,所述络合剂溶液远离所述集流体,所述正极浆料靠近所述集流体,干燥后,在集流体的至少一侧表面形成正极材料层,在所述正极材料层的表面形成络合剂层,所述络合剂层为多孔结构。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,步骤(A)所述络合剂溶液的质量分数为60-80%。
10.一种锂离子电池,包括正极、负极、隔膜和电解液,其特征在于,所述正极采用权利要求1-4任一项所述的正极。
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