CN114824222A - 利用有机硅偶联剂包覆正极材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了利用有机硅偶联剂包覆正极材料的方法，包括如下步骤：反应液配置步骤，将去离子水及有机硅偶联剂添加到有机溶剂中配置成反应液；混合反应步骤，将正极材料置于反应液中混合搅拌均匀，然后维持反应液的温度为80℃～130℃，保温1～5h；过滤烘干步骤：将正极材料从反应液中过滤出来，将正极材料置于60℃～120℃的环境下烘干6h～10h。本发明具有如下有益效果：本方法制得的正极材料在组装成电池后，电池的高温高压性能上有明显改善，且循环性能也有大幅提高。
Description
技术领域
本发明涉及电池制备领域，尤其涉及一种利用有机硅偶联剂包覆正极材料的方法。
背景技术
高镍三元电池在高温下容易出现正极颗粒表面产气及金属溶出等问题，导致循环性能较差。为改善这种问题，常用的方法是在正极表面进行包覆或在电解液中加入正极成膜添加剂。专利CN110429269A所示的方案中采用共聚物包覆在高镍三元正极材料表面，具体方法是选用含锂烯烃聚合物与共轭烯烃聚合物共聚，然后将聚合物溶解在溶剂中。溶剂内分散了高镍三元材料颗粒，通过蒸干溶剂而包覆到表面。该方法虽然能较好地将正极颗粒与电解液隔离，但因为聚合物在高镍三元材料表面包覆不均匀，结合力不足够，且在不断充放电过程中易溶解与电解液中，专利CN110247031A所示的方案中在三元正极材料表面包覆钴酸锂，虽然可以避免三元材料与电解液直接接触，但钴酸锂在高温下也会出现产气问题，且钴酸锂在充放电过程中也会出现金属溶出问题。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种利用有机硅偶联剂包覆正极材料的方法。
本发明采取的技术方案如下：
一种利用有机硅偶联剂包覆正极材料的方法，包括如下步骤：
反应液配置步骤，将去离子水及有机硅偶联剂添加到有机溶剂中配置成反应液；
混合反应步骤，将正极材料置于反应液中混合搅拌均匀，然后维持反应液的温度为80℃～130℃，保温1～5h；
过滤烘干步骤：将正极材料从反应液中过滤出来，将正极材料置于60℃～120℃的环境下烘干6h～10h。
本正极材料的作用原理如下，有机硅类偶联剂上的甲氧基或乙氧基会分解并产生氢氧基，氢氧基与正极材料颗粒表面的氢氧基结合形成水和硅氧键。以三元材料为例，形成硅氧键的过程如下所示，
稳定的氧硅键能够承受电解液的溶解作用及高氧化电位，能够克服表面沉积聚合物的不稳定问题，同时能提高固液的浸润性，避免正极料直接与电解液接触而导致的电解液氧化分解及金属的溶出。有机硅类偶联剂在三元材料表面形成了一层含有机硅的网状保护层，进一步保护了高镍三元材料的结构及避免了与电解液的直接接触。
所以采用上述正极材料经过涂布、辊压及叠片等步骤制得的正极片再组装成的电池，在高温高压性能上有明显改善，且循环性能也有大幅提高。
可选的，所述有机溶剂与去离子水的质量比为1：0.01～1：0.1，所述反应液中有机硅偶联剂的浓度为0.1％～10％。
可选的，所述有机溶剂为甲醇。
可选的，所述正极材料与反应液的质量比为1：1～1：8。
可选的，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、异丙醇、呋喃及N-甲基吡咯烷酮的一种或多种。
可选的，所述正极材料为镍钴锰三元材料或镍钴铝三元材料磷酸亚铁锂或钴酸锂或锰酸锂或镍酸锂或富锰材料。
本方案所适用包覆的正极材料不仅仅是高镍三元材料(镍钴锰三元材料)，其他正极材料也是适用的。
可选的，将反应液与正极材料置于搅拌机中搅拌，搅拌的速率为10r/min-100r/min。
本发明的有益效果是：本方法制得的正极材料在组装成电池后，电池的高温高压性能上有明显改善，且循环性能也有大幅提高。
具体实施方式：
下面结合各实施例，对本发明做详细描述。
实施例1
取有机硅类偶联剂加入到含1％去离子水的甲醇溶液中，再添加有机硅偶联剂制成反应液，有机硅偶联剂在反应液中的含量为0.2％。然后将待处理的高镍三元材料(镍钴锰三元材料)倒入反应液中，其加入量与有机溶剂的质量比为1:1。用搅拌机进行均匀混合，搅拌速率为50r/min，搅拌时间控制在1h之间。搅拌完后打开加热按钮，控制温度为110℃，边加热边搅拌3h，然后停止加热搅拌。取一张表面洁净干燥的过滤纸，将高镍三元材料过滤出来，放在温度为110℃的烘箱中干燥7h。取出处理后的高镍三元材料，按照正常的电池制备工艺将改性后的高镍三元材料制作成电池。
实施例2
去离子水占甲醇溶液的质量分数为2％，机硅偶联剂在反应液中的含量为0.4％，高镍三元材料与有机溶剂的质量比为1：2。其他参数、实验过程与实施例1相同。
实施例3
去离子水占甲醇溶液的质量分数为4％，机硅偶联剂在反应液中的含量为0.8％，高镍三元材料与有机溶剂的质量比为1：4。其他参数、实验过程与实施例1相同。
实施例4
去离子水占甲醇溶液的质量分数为8％，机硅偶联剂在反应液中的含量为10％，高镍三元材料与有机溶剂的质量比为1：8。其他参数、实验过程与实施例1相同。
对比例
直接将高镍三元材料倒入含4％去离子水的甲醇溶液中，其加入量与有机溶剂的质量比为1:4。用搅拌机进行均匀混合，搅拌速率为50r/min，搅拌时间控制在1h之间。搅拌完后打开加热按钮，控制温度为110℃。边加热边搅拌3h，然后停止加热搅拌。取一张表面洁净干燥的过滤纸，将高镍三元材料过滤出来，放在温度为110℃的烘箱中干燥7h。取出处理后的高镍三元材料，按照正常的电池制备工艺将改性后的高镍三元材料制作成电池。
测试实验
测试方法：取已经分档的电池固定在测试柜上，在1C充恒流充电到4.2V再1C恒流放电至2.8V，重复三次得到电池的放电容量。将软包电池分别放于25度、45度、60度下恒温箱内，均以1C恒流充电到4.2V，再恒流放电至2.8V，重复循环1000次，记录100次、500次、1000次循环的容量保持率及恢复率。测试得到的结果如下表1所示
表1测试结果
从表1中的实验数据可以看出：经过表面包覆有机硅偶联剂的三元正极材料在高温下循环100次、500次及1000次的容量保持率及容量恢复率均高于未经过处理的三元正极材料。但对比放电容量发现未经过处理的三元正极材料的放电容量高于表面包覆有机硅偶联剂的三元正极材料。可能是因为表面包覆后阻抗增大，锂离子脱出困难，导致放电容量降低。但因包覆而增厚的三元材料降低了与电解液的直接接触，提高了金属离子溶出的难度，提高了高温循环性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书内容所作的等效变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种利用有机硅偶联剂包覆正极材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
反应液配置步骤，将去离子水及有机硅偶联剂添加到有机溶剂中配置成反应液；
混合反应步骤，将正极材料置于反应液中混合搅拌均匀，然后维持反应液的温度为80℃～130℃，保温1～5h；
过滤烘干步骤：将正极材料从反应液中过滤出来，将正极材料置于60℃～120℃的环境下烘干6h～10h。
2.如权利要求1所述的利用有机硅偶联剂包覆正极材料的方法，其特征在于，所述有机溶剂与去离子水的质量比为1：0.01～1：0.1，所述反应液中有机硅偶联剂的浓度为0.1％～10％。
3.如权利要求1所述的利用有机硅偶联剂包覆正极材料的方法，其特征在于，所述有机溶剂为甲醇。
4.如权利要求1所述的利用有机硅偶联剂包覆正极材料的方法，其特征在于，所述正极材料与反应液的质量比为1：1～1：8。
5.如权利要求1所述的利用有机硅偶联剂包覆正极材料的方法，其特征在于，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、异丙醇、呋喃及N-甲基吡咯烷酮的一种或多种。
6.如权利要求1所述的利用有机硅偶联剂包覆正极材料的方法，其特征在于，所述正极材料为镍钴锰三元材料或镍钴铝三元材料磷酸亚铁锂或钴酸锂或锰酸锂或镍酸锂或富锰材料。
7.如权利要求1所述的利用有机硅偶联剂包覆正极材料的方法，其特征在于，将反应液与正极材料置于搅拌机中搅拌，搅拌的速率为10r/min-100r/min。
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