CN115799447A - 正极片及其制备方法和钠离子电池 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域,具体而言,涉及一种正极片及其制备方法和钠离子电池。
背景技术
随着锂离子电池在电动汽车领域被广泛地应用,对锂资源的需求量大大增加。然而,锂元素在地壳中的储量仅为0.0017%,且目前仍无有效的锂资源回收技术,这显然满足不了大规模储能及电动汽车等领域日益发展的需求。因此,从能源的可持续发展和利用的角度来看,寻求低成本、高安全和长循环寿命的新型二次电池体系至关重要。钠元素在地壳中的储量约占2.36%(质量分数),远高于锂元素,而且钠元素分布广泛、成本低廉。同时,钠和锂属同一主族元素,在电池工作中均表现出相似的“摇椅式”电化学充放电行为。因此,开发高性能、低成本的钠离子电池技术对持续发展大规模储能及电动汽车等领域具有重要意义。
目前,最具应用前景的钠离子电池正极材料主要有层状过渡金属氧化物、聚阴离子化合物。其中,层状过渡金属氧化物表现出更高的比容量,更满足高能量密度的需求,然而空气稳定性差,易与空气中水分子的氢离子发生离子交换反应,并在材料表面生成Na2CO3、NaHCO3和NaOH等碱性氧化物以及直接吸收水分子作为层间结晶水,这会改变材料的晶体结构和降低材料结晶性,且材料表面形成较强的碱性环境会使黏结剂脱氟而失效,并且碱会腐蚀具有两性金属特性的集流体铝箔,严重影响电池的性能,目前行业内常用的解决方案是将材料层状过渡金属氧化物做成微米级的多晶或单晶颗粒,辅之进行掺杂或包覆改善,但均不能很有效的改善材料的空气稳定性;聚阴离子化合物由于稳定的骨架结构,优异的循环性能和耐空气稳定性而备受关注,但是其本征电子导电率差也对材料的大规模使用增加挑战,目前主要改善方法包括纳米化和碳复合,但降低了材料的体积能量密度。
有鉴于此,特提出本发明。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种正极片,以解决现有技术中的正极片的空气稳定性差,体积能量密度低的技术问题。
本发明的另一个目的在于提供一种所述的正极片的制备方法。
本发明的另一个目的在于提供一种所述的钠离子电池。
为了实现本发明的上述目的,特采用以下技术方案:
正极片,包括集流体以及设置于所述集流体至少一侧表面的正极材料层;所述正极材料层包括层状过渡金属氧化物和聚阴离子化合物;
所述的层状过渡金属氧化物的化学式包括NaxMO2,其中,0.6≤x≤1.0,M包括Fe、Mn、Cr、Ni、Co、Cu、Mg、Zr和Ti中的至少一种;
所述聚阴离子化合物的化学式包括NaAPO4、NayE2(XO4)3和Na2QP2O7中的至少一种;其中,A包括Fe和/或Mn,1≤y≤4,E包括V、Fe、Ni、Mn和Ti中的至少一种,X包括P、S和Si中的至少一种,Q包括Fe、Mn和Co中的至少一种;
在一种实施方式中,所述ρ1的范围为4.4~4.65g/cm3;所述ρ2的范围为2.5~3.5g/cm3。
在一种实施方式中,所述层状过渡金属氧化物的粒径D50为4~12μm。
在一种实施方式中,所述层状过渡金属氧化物的粒径D10为1.27~3.82μm。
在一种实施方式中,所述聚阴离子化合物的粒径D’50为0.41~1.24μm。
在一种实施方式中,所述正极材料层中还包括导电剂和粘结剂。
在一种实施方式中,所述导电剂包括碳纳米管、导电碳黑、导电石墨、石墨烯和炭纤维中的至少一种。
在一种实施方式中,所述粘结剂包括聚偏氟乙烯。
在一种实施方式中,所述导电剂和所述粘结剂的总质量占所述正极材料层的质量的比例不超过5%。
在一种实施方式中,所述正极材料层中,导电剂和粘结剂质量比为(1.5~3.5)∶(1.5~3.5)。
在一种实施方式中,所述正极片的压实密度为3.0~3.6g/cm3。
所述的正极片的制备方法,包括以下步骤:
制备正极浆料,所述正极浆料中包含层状过渡金属氧化物和聚阴离子化合物;将所述正极浆料涂覆于所述集流体的至少一侧表面,再进行干燥和压实。
在一种实施方式中,所述正极浆料中还包含导电剂、粘结剂和溶剂。
在一种实施方式中,所述正极浆料的制备方法,具体包括:
将所述粘结剂溶于所述溶剂中,再加入导电剂混合均匀,得到导电浆;将所述导电浆、所述层状过渡金属氧化物和所述聚阴离子化合物混合均匀,得到正极浆料。
在一种实施方式中,所述干燥的温度为75~120℃。
在一种实施方式中,所述压实采用的压力为20~100MPa。
钠离子电池,包括所述的正极片。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
(1)本发明通过控制过渡金属氧化物和聚阴离子化合物的粒度关系、粒度分布、质量比关系,得到的正极片能有效改善空气稳定性,同时具有更高的压实密度和优异的电化学性能。
(2)本发明正极片的制备方法简单易行,将含有层状过渡金属氧化物和聚阴离子化合物的正极浆料涂覆在集流体的至少一侧表面上,再进行干燥和压实处理即可。
(3)本发明得到的钠离子电池具有优异的电化学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的电芯的放电曲线图;
图2为本发明实施例3的电芯的循环保持率曲线图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述,但是本领域技术人员将会理解,下列实施例仅用于说明本发明,而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市购获得的常规产品。
正极片,包括集流体以及设置于所述集流体至少一侧表面的正极材料层;所述正极材料层包括层状过渡金属氧化物和聚阴离子化合物;
所述的层状过渡金属氧化物的化学式包括NaxMO2,其中,0.6≤x≤1.0,M包括Fe、Mn、Cr、Ni、Co、Cu、Mg、Zr和Ti中的至少一种;
所述聚阴离子化合物的化学式包括NaAPO4、NayE2(XO4)3和Na2QP2O7中的至少一种;其中,A包括Fe和/或Mn,1≤y≤4,E包括V、Fe、Ni、Mn和Ti中的至少一种,X包括P、S和Si中的至少一种,Q包括Fe、Mn和Co中的至少一种;
本发明通过控制过渡金属氧化物和聚阴离子化合物的粒度关系、粒度分布、质量比关系,得到的正极片不仅可以有效改善空气稳定性,还具有更高的压实密度和优异的电化学性能。
真密度(True Density)指材料在绝对密实的状态下单位体积的固体物质的实际质量,即去除内部孔隙或者颗粒间的空隙后的密度。测定方法参照GB/T 24586-2009。
当层状过渡金属氧化物选自多种,ρ1为多种层状过渡金属氧化物的真密度的平均值;聚阴离子化合物选自多种,ρ2为多种聚阴离子化合物的真密度的平均值。
本发明的机理包括:将所有的颗粒假设为球形颗粒,球形颗粒按照最密堆积方式,二级颗粒填充在一级颗粒之间,三级颗粒填充在一级和二级颗粒之间,依次类推;一级颗粒孔隙率为~38%、二级颗粒孔隙率为~15%、三级颗粒孔隙率为~5%、四级颗粒孔隙率为~2.0%,当不同大小颗粒分布达到三级后,再填充更小的颗粒,也不能大幅降低孔隙率、提升颗粒的体积密度,因此,本发明是基于三级颗粒堆积,以过渡金属氧化物的D50作为一级颗粒、D10作为二级颗粒、聚阴离子化合物的D50作为三级颗粒进行填充堆积,根据一级颗粒的尺寸可以分别计算得到第二级、第三级颗粒的尺寸,通过前三级颗粒的搭配(过渡金属氧化物的D50、过渡金属氧化物的D10和聚阴离子化合物的D50),可以有效提升堆积密度(对应极片的压实密度/体积密度)。
当得到各级颗粒尺寸后,为改善层状过渡金属氧化物的空气敏感性,至少需要使极片中的聚阴离子化合物均匀分布在层状氧化物的外层,阻断层状过渡金属氧化物与空气的接触,所有颗粒假设为球体,过渡金属氧化物的D50和聚阴离子化合物的D50作为平均粒径,可以计算得到对应金属氧化物球形颗粒的表面积,为保证达到预期效果(聚阴离子化合物将过渡金属氧化物包覆在中间),进一步将聚阴离子化合物假设为圆形,所有圆形面积的和不低于层状氧化物的表面积,因此根据两者的面积可以进一步得到两者的颗粒数量关系,结合两者的颗粒尺寸、颗粒数量,加上真密度,便可以得到最终两种材料的质量关系。
因此、通过粒径分布、质量比等参数控制,既可以提升压实密度,又可以降低材料的空气敏感性,提升压实密度的同时,一定程度上减少了孔隙,也可以降低金属氧化物与空气的接触;金属氧化物容量高、循环差,聚阴离子化合物容量低、循环好,以金属氧化物为主体,复合一部分聚阴离子化合物,在保证具有较高容量的同时,提升循环性能。
在一种实施方式中,x包括但不限于为0.6、0.7、0.8、0.9或1.0。层状过渡金属氧化物的化学式包括NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2、NaNi1/3Fe1/3Mg1/3O2、NaNi1/5Fe2/5Mn2/5O2、NaNi1/3Fe1/ 3Ti1/3O2、NaNi3/9Fe3/9Mn2/9Zr1/9O2、Na0.9Cu0.25Fe0.3Mn0.45O2、Na2/3Ni1/3Mn5/6Ti1/6O2、Na0.75MnO2、Na2/3Mn2/3Ni1/3O2、Na2/3Mn5/9Ni3/9Cr1/9O2或NaNi1/5Fe1/5Cu1/5Mn2/5O2等。
在一种实施方式中,所述聚阴离子化合物NaAPO4为NaFePO4或NaMnPO4。在一种实施方式中,NayE2(XO4)3中,y包括但不限于为1、2、3、4,NayE2(XO4)3可以为NaV2(PO4)3、NaFe2(PO4)3、NaNi2(PO4)3、NaTi2(PO4)3、NaV2(SO4)3、NaV2(SiO4)3等。在一种实施方式中,Na2QP2O7为Na2FeP2O7、Na2MnP2O7、Na2CoP2O7。
在一种实施方式中,所述ρ1的范围为4.4~4.65g/cm3,例如4.5g/cm3、4.52g/cm3或4.6g/cm3等;所述ρ2的范围为2.5~3.5g/cm3,例如2.64g/cm3、2.72g/cm3、2.8g/cm3、3g/cm3或3.2g/cm3等。
在一种实施方式中,ρ1/ρ2包括但不限于为1.3、1.4、1.46、1.5、1.52、1.6或1.8等。
在一种实施方式中,所述层状过渡金属氧化物的粒径D50为4~12μm。例如5.03μm、6.87μm、7.4μm、8μm、9μm或10μm等。
在一种实施方式中,所述层状过渡金属氧化物的粒径D10为1.27~3.82μm。例如1.3μm、1.52μm、1.83μm、2.44μm、2.5μm、2.8μm、3μm、3.15μm、3.5μm或3.76μm等。
在一种实施方式中,所述聚阴离子化合物的粒径D’ 50为0.41~1.24μm。例如0.44μm、0.51μm、0.62μm、0.7μm、0.9μm、1μm或1.2μm等。
在一种实施方式中,所述正极材料层中还包括导电剂和粘结剂。
在一种实施方式中,所述导电剂包括碳纳米管(CNT)、导电碳黑(SP)、导电石墨、石墨烯和炭纤维中的至少一种。在一种实施方式中,导电剂为导电炭黑和碳纳米管,导电炭黑和碳纳米管的质量比为(1~3):0.5。例如1:0.5、1.5:0.5、2:0.5、2.5:0.5、2.8:0.5等。
在一种实施方式中,粘结剂包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯腈、丁苯橡胶和聚酰亚胺中的至少一种。
在一种实施方式中,所述导电剂和所述粘结剂的总质量占所述正极材料层的质量的比例不超过5%。例如0.5%、0.8%、1%、1.5%、2%、3%、4%、4.8%等。在一种实施方式中,所述导电剂和所述粘结剂的总质量占所述正极材料层的质量的比例为1%~4.8%。
在一种实施方式中,所述正极材料层中,导电剂和粘结剂质量比为(1.5~3.5):(1.5~3.5)。例如1.5:3.5、2:3、3.5:1.5等。
在一种实施方式中,所述正极片的压实密度为3.0~3.6g/cm3。例如3.1g/cm3、3.2g/cm3、3.3g/cm3、3.4g/cm3、3.5g/cm3等。
根据本发明的另一个方面,本发明还涉及所述的正极片的制备方法,包括以下步骤:
制备正极浆料,所述正极浆料中包含层状过渡金属氧化物和聚阴离子化合物;将所述正极浆料涂覆于所述集流体的至少一侧表面,再进行干燥和压实。
本发明正极片的制备方法简单易行,将含有层状过渡金属氧化物和聚阴离子化合物的正极浆料涂覆在集流体的至少一侧表面上,并进行干燥和压实处理即可。
在一种实施方式中,本发明中的集流体包括铝箔或者复合铝箔。
在一种实施方式中,所述正极浆料中还包含导电剂、粘结剂和溶剂。在一种实施方式中,溶剂包括N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
正极浆料的制备方法,具体包括:将粘结剂于溶剂中进行溶解,再加入导电剂分散均匀,得到均匀的导电浆;再将层状过渡金属氧化物和聚阴离子化合物加入所述导电浆中分散均匀,得到正极浆料。
在一种实施方式中,所述干燥的温度为75~120℃。在一种实施方式中,所述干燥的温度为80℃、90℃、95℃、100℃、110℃或115℃等。
在一种实施方式中,所述压实采用的压力为20~100MPa。在一种实施方式中,所述压实采用的压力为30MPa、40MPa、50MPa、60MPa、70MPa、80MPa、90MPa、95MPa等。
根据本发明的另一个方面,本发明还涉及钠离子电池,包括所述的正极片。本发明的钠离子电池具有优异的电化学性能。
下面结合具体实施例、对比例进一步解释说明。
本发明实施例1的电芯的放电曲线图如图1所示。
本发明实施例3的电芯的循环保持率曲线图如图2所示。
实施例1
正极片的制备方法,包括以下步骤:
(a)将2.0质量份PVDF将入NMP溶剂中溶解,再加入2.0质量份SP和0.5份CNT作为导电剂,分散均匀,得到导电浆S1;
(b)将75.5质量份层状过渡金属氧化物NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2和20.0质量份聚阴离子化合物Na3V2(PO4)3正极材料加入步骤(a)的第一导电浆中,其中NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2正极材料的D10=2.44μm,D50=6.87μm,真密度为4.50g/cm3,Na3V2(PO4)3正极材料的D50=0.51μm,真密度为3.24g/cm3,分散均匀得到浆料S2;
(c)将上述浆料S2均匀涂覆在铝箔上,经烘烤干燥、辊压后得到正极极片。
将本实施例中的正极极片与负极、隔膜、电解液等组成电池,经陈化、化成、老化等工艺后得到待测电芯。
实施例2
正极片的制备方法,除层状过渡金属氧化物为88质量份,聚阴离子化合物为7.5质量份,其他条件同实施例1。
实施例3
正极片的制备方法,除层状过渡金属氧化物为Na0.9Cu0.25Fe0.3Mn0.45O2,其粒径D10=1.83μm,粒径D50=5.03μm,真密度为4.55g/cm3,其他条件同实施例1。
实施例4
正极片的制备方法,除聚阴离子化合物为NaFePO4,粒径D50=0.44μm,真密度为3.14g/cm3,其他条件同实施例1。
实施例5
正极片的制备方法,除层状过渡金属氧化物包括质量比为1:1的NaNi1/3Fe1/3Mn1/ 3O2和Na0.9Cu0.25Fe0.3Mn0.45O2,聚阴离子化合物包括质量比为1:1:1的NaFePO4、Na3V2(PO4)3和Na2MnP2O7,Na2MnP2O7的真密度为3.26g/cm3,其他条件同实施例1。
对比例1
正极片的制备方法,包括以下步骤:
(a)将2.0份PVDF将入NMP溶剂中溶解,再加入2.0份SP和0.5份CNT作为导电剂,分散均匀,得到导电浆S1;
(b)将95.5份层状过渡金属氧化物NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2正极材料加入S1中,其中NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2正极材料的D10=2.44μm,D50=6.87μm,分散均匀得到浆料S2;
(c)将上述浆料S2均匀涂覆在铝箔上,经烘烤干燥、辊压后得到正极极片。
将本对比例的正极极片与负极、隔膜、电解液等组成电池,经陈化、化成、老化等工艺后得到待测电芯。
对比例2
正极片的制备方法,包括以下步骤:
(a)将2.0份PVDF将入NMP溶剂中溶解,再加入2.0份SP和0.5份CNT作为导电剂,分散均匀,得到导电浆S1;
(b)将95.5份聚阴离子化合物Na3V2(PO4)3正极材料加入S1中,其中Na3V2(PO4)3正极材料的D50=0.51μm,分散均匀得到浆料S2;
(c)将上述浆料S2均匀涂覆在铝箔上,经烘烤干燥、辊压后得到正极极片;
将本对比例的正极极片与负极、隔膜、电解液等组成电池,经陈化、化成、老化等工艺后得到待测电芯。
对比例3
正极片的制备方法,除层状过渡金属氧化物的粒径D10=2.8μm,粒径D50=15μm,真密度为4.49g/cm3;聚阴离子化合物的粒径D50=1.65μm,真密度为3.25g/cm3,其他条件同实施例1。
实验例
对实施例及对比例中的正极片及钠离子电池进行电化学性能检测,方法如下:
一、残碱测试:
正极片放置在湿度26±3%的环境中缓存12h,再将极片上的粉料与铝箔分离,转移至烧杯中,加入去离子水搅拌60s,过滤,将滤液转移至电位滴定仪样品台,用盐酸进行电位滴定,将测试得到的碳酸根、碳酸氢根换算成钠离子含量,含量计算基准是与铝箔分离后正极粉料中层状过渡金属氧化物的质量。
二、容量测试:
以0.5C倍率恒流恒压充电至4.0V,截止电流0.05C,搁置30min,再以0.5C倍率恒流放电至2.0V,记录电池容量,根据正极片中活性材料的质量,换算成克容量,记为可逆容量。
三、循环性能测试
在45±2℃下,以0.5C倍率恒流恒压充电至4.0V,截止电流0.05C,搁置30min,再以0.5C倍率恒流放电至2.0V,搁置30min,以此循环500次,记录第500次容量与初始容量的比值,记为容量保持率。
检测结果参见表1所示。
表1性能检测结果
由表1可知,本发明各实施例中,通过粒径大的层状过渡金属氧化物与粒径小的聚阴离子化合物相互填充,以聚阴离子化合物为主,导电剂和粘结剂为辅,均匀分散在层状过渡金属氧化物表面,一方面,使得正极片具有更高的压实密度,可以有较提升电池的能量密度,另一方面,复合后的正极极片同时具有更好的空气稳定性和循环性能。
相比较于实施例1,对比例1的活性材料仅采用层状过渡金属氧化物,得到的正极片的压实密度低,循环500次的保持率差。
相比较于实施例1,对比例2的活性材料仅采用聚阴离子化合物,得到的正极片的压实密度低,可逆容量低。
相比较于实施例1,对比例3的活性材料的粒度分布不在本发明的保护范围内,得到的正极片的压实密度低,循环保持率差。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,但本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.正极片,其特征在于,包括集流体以及设置于所述集流体至少一侧表面的正极材料层;所述正极材料层包括层状过渡金属氧化物和聚阴离子化合物;
所述的层状过渡金属氧化物的化学式包括NaxMO2,其中,0.6≤x≤1.0,M包括Fe、Mn、Cr、Ni、Co、Cu、Mg、Zr和Ti中的至少一种;
所述聚阴离子化合物的化学式包括NaAPO4、NayE2(XO4)3和Na2QP2O7中的至少一种;其中,A包括Fe和/或Mn,1≤y≤4,E包括V、Fe、Ni、Mn和Ti中的至少一种,X包括P、S和Si中的至少一种,Q包括Fe、Mn和Co中的至少一种;
2.根据权利要求1所述的正极片,其特征在于,所述ρ1的范围为4.4~4.65g/cm3;所述ρ2的范围为2.5~3.5g/cm3。
3.根据权利要求1所述的正极片,其特征在于,包含以下特征(1)至(3)中的至少一种:
(1)所述层状过渡金属氧化物的粒径D50为4~12μm;
(2)所述层状过渡金属氧化物的粒径D10为1.27~3.82μm;
(3)所述聚阴离子化合物的粒径D’ 50为0.41~1.24μm。
4.根据权利要求1所述的正极片,其特征在于,包含以下特征(1)至(5)中的至少一种:
(1)所述正极材料层中还包括导电剂和粘结剂;
(2)所述导电剂包括碳纳米管、导电碳黑、导电石墨、石墨烯和炭纤维中的至少一种;
(3)所述粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯腈、丁苯橡胶和聚酰亚胺中的至少一种;
(4)所述导电剂和所述粘结剂的总质量占所述正极材料层的质量的比例不超过5%;
(5)所述正极材料层中,导电剂和粘结剂质量比为(1.5~3.5):(1.5~3.5)。
5.根据权利要求1所述的正极片,其特征在于,所述正极片的压实密度为3.0~3.6g/cm3。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的正极片的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
制备正极浆料,所述正极浆料中包含层状过渡金属氧化物和聚阴离子化合物;将所述正极浆料涂覆于所述集流体的至少一侧表面,再进行干燥和压实。
7.根据权利要求6所述的正极片的制备方法,其特征在于,所述正极浆料中还包含导电剂、粘结剂和溶剂。
8.根据权利要求7所述的正极片的制备方法,其特征在于,所述正极浆料的制备方法,具体包括:
将所述粘结剂溶于所述溶剂中,再加入导电剂混合均匀,得到导电浆;将所述导电浆、所述层状过渡金属氧化物和所述聚阴离子化合物混合均匀,得到正极浆料。
9.根据权利要求6所述的正极片的制备方法,其特征在于,包含以下特征(1)至(2)中的至少一种:
(1)所述干燥的温度为75~120℃;
(2)所述压实采用的压力为20~100MPa。
10.钠离子电池,其特征在于,包括权利要求1~5中任一项所述的正极片。
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2022
- 2022-11-29 CN CN202211514774.7A patent/CN115799447A/zh active Pending
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