一种正极极片及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种正极极片及其制备方法和应用，本发明专利技术所述正极极片通过将镍锰的二元层状材料和磷酸亚铁锂材料混合，控制活性材料的能量密度和质量占比的关系，使得锂离子二次电池具有与三元电池相当的能量密度水平、倍率性能，同时具有与磷酸亚铁锂相当的成本和安全性能，以及高于三元锂离子电池的循环性能。以及高于三元锂离子电池的循环性能。

【技术实现步骤摘要】
一种正极极片及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，涉及一种正极极片及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]磷酸亚铁锂电池具有优异的安全特性和循环性能，但单独的磷酸亚铁锂锂离子电池克容量低、压实低以及平台电压低导致其能量密度水平低，同时其材料本身的电子电导性和离子电导性差导致其功率性能差。
[0003]三元锂离子电池表现出高能量密度、高功率、较好的寿命等特点，但钴资源稀缺、成本高昂，势必会限制锂离子电池行业的发展。而无钴的镍锰二元正极材料，相比于传统三元体系电池，在保证了能量密度基本持平的情况下，实现了更高的循环寿命，更高的安全性以及更低的成本，实现了技术突破与创新，开创了动力电池新品类；同时目标产品的开发与产业化对动力电池行业摆脱钴资源制约有着重要的战略意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种一种正极极片及其制备方法和应用，本专利技术所述正极极片通过将镍锰的二元层状材料和磷酸亚铁锂材料混合，控制活性材料的能量密度和质量占比的关系，使得锂离子二次电池具有与三元电池相当的能量密度水平、倍率性能，同时具有与磷酸亚铁锂相当的成本和安全性能，以及高于三元锂离子电池的循环性能。
[0005]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种正极极片，所述正极极片包括集流体和设置于所述集流体表面的正极活性物质层，所述正极活性物质层中的正极活性物质包括第一活性物质和第二活性物质，所述第一活性物质包括无钴镍锰二元层状正极材料Li
x
Ni
a
Mn1‑
a
O2，其中，0.97≤x≤1.03(例如：0.97、0.98、1、1.02或1.03等)，0＜a＜1(例如：0.1、0.2、0.5、0.8或0.9等)，所述第二活性物质包括磷酸亚铁锂材料，所述第一活性物质和第二活性物质满足1.5≤C
NMx
×
P
NMx
/(C
LFP
×
P
LFP
)≤30，例如：1.5、2、3、5、10、20或30等，其中，C
NMx
为无钴镍锰二元层状材料放电克容量，单位mAh/g，P
NMx
为正极活性物质中无钴镍锰二元层状材料的重量占比，单位％，C
LFP
为磷酸亚铁锂放电克容量，单位mAh/g，P
LFP
为正极活性物质中磷酸亚铁锂的重量占比，单位％，P
NMx
+P
LFP
＝1。
[0007]本专利技术所述公式中，当C
NMx
×
P
NMx
/(C
LFP
×
P
LFP
)值越小，对应电池能量密度偏低，但电池安全性能好，循环性能好；C
NMx
×
P
NMx
/(C
LFP
×
P
LFP
)值越大，对应电池能量密度高，越接近于三元电池的能量密度水平。
[0008]无钴的镍锰二元材料，由于没有了钴元素的存在，材料结构中锂镍混排比例一定程度的增加，进而导致材料的导电性变差、内阻增加，电池的阻抗增加，倍率性能变差。通过对镍锰二元正极材料进行改性，包括掺杂和包覆，实现材料性能的提升。
[0009]掺杂改性的目的是在Li
x
Ni
a
Mn1‑
a
O2晶格中掺杂一些阳离子、阴离子或复合离子，抑制Li/Ni的阳离子混排，有助于减少首次不可逆容量损失，使Li
x
Ni
a
Mn1‑
a
O2的层状结构更完
整，从而改善锂离子电池的循环性能和热稳定性。阳离子掺杂元素可选自Al、Zr、Ti、B、Mg、V、Cr、Zn、Y中的一种或几种。阴离子掺杂元素可选自F、P、S中的一种或几种。阴阳离子的掺杂总量不超过10％。
[0010]包覆改性是在Li
x
Ni
a
Mn1‑
a
O2表面形成一层包覆层，起到提高材料导电性和隔绝电解液和Li
x
Ni
a
Mn1‑
a
O2直接接触的作用。包覆层的存在还可以减少Li
x
Ni
a
Mn1‑
a
O2在反复充放电过程中晶体结构的坍塌，降低颗粒破碎、晶体结构损坏的概率，改善锂离子电池的循环性能。包覆层可选自碳层、石墨烯层、氧化物层、无机盐层或导电高分子层中的一种或几种。其中，所述氧化物可为Al、Ti、Mn、Zr、Mg、Zn、Ba、Mo、B中的一种或几种元素形成的氧化物；无机盐可为Li2ZrO3、LiNbO3、Li4Ti5O
12
、Li2TiO3、LiTiO2、Li3VO4、LiSnO3、Li2SiO3、LiAlO2、AlPO4、AlF3中的一种或几种；导电高分子可为聚吡咯(PPy)、聚3,4
‑
亚乙二氧基噻吩(PEDOT)或聚酰胺(PI)。包覆层的质量不超过10％。
[0011]本专利技术所述正极极片中的正极活性材料为磷酸亚铁锂材料和无钴的镍锰二元正极材料，通过控制磷酸亚铁锂材料和无钴镍锰二元正极材料的比容量和质量占比，可以使锂离子二次电池具有与三元电池相当的能量密度水平、倍率性能，同时具有与磷酸亚铁锂相当的成本和安全性能，以及高于三元锂离子电池的循环性能。
[0012]优选地，所述正极活性物质的中值粒径D50为0.2～8μm，例如：0.2μm、0.5μm、1μm、5μm或8μm等，优选为0.2～4μm。
[0013]本专利技术所述正极极片严格控制所述正极活性物质的中值粒径D50，粒径太小，正极活性材料的比表面积往往较大，氧化活性变高，表面副反应会增多，由于电解液分解而造成的产气问题突出；而平均粒径太大，锂离子在大粒径颗粒中扩散路径较长，且扩散需要克服的阻力越大，嵌入过程引起的正极活性材料晶体变形与体积膨胀不断积累，使得嵌入过程逐渐变得难以进行。且正极活性材料的粒径落入上述优选范围内时，正极极片的均一性更高，既可以避免粒径太小与电解液产生较多的副反应而影响锂离子电池的性能，又可以避免粒径太大阻碍锂离子在颗粒内部传输而影响锂离子电池的性能。
[0014]优选地，所述正极极片的压实密度为2.7～3.7g/cm3，例如：2.7g/cm3、2.9g/cm3、3g/cm3、3.2g/cm3、3.5g/cm3或3.7g/cm3等，优选为2.8～3.4g/cm3。
[0015]本专利技术所述正极极片的压实密度控制在2.8～3.4g/cm3，将压实密度控制在此范围内，可保证正极活性材料颗粒的完整性，并且保持颗粒之间良好的电接触。
[0016]优选地，所述正极极片的孔隙率为10～40％，例如：10％、15％、20％、30％或40％等，优选为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种正极极片，其特征在于，所述正极极片包括集流体和设置于所述集流体表面的正极活性物质层，所述正极活性物质层中的正极活性物质包括第一活性物质和第二活性物质，所述第一活性物质包括无钴镍锰二元层状正极材料Li
x
Ni
a
Mn1‑
a
O2，其中，0.97≤x≤1.03，0＜a＜1，所述第二活性物质包括磷酸亚铁锂材料，所述第一活性物质和所述第二活性物质满足1.5≤C
NMx
×
P
NMx
/(C
LFP
×
P
LFP
)≤30，其中，C
NMx
为无钴镍锰二元层状材料放电克容量，单位mAh/g，P
NMx
为正极活性物质中无钴镍锰二元层状材料的重量占比，单位％，C
LFP
为磷酸亚铁锂放电克容量，单位mAh/g，P
LFP
为正极活性物质中磷酸亚铁锂的重量占比，单位％，P
NMx
+P
LFP
＝1。2.如权利要求1所述的正极极片，其特征在于，所述正极活性物质的中值粒径D50为0.2～8μm，优选为0.2～4μm。3.如权利要求1或2所述的正极极片，其特征在于，所述正极极片的压实密度为2.7～3.7g/cm3，优选为2.8～3.4g/cm3。4.如权利要求1
‑
3任一项所述的正极极片，其特征在于，所述正极极片的孔隙率为10～40％，优选为20～30％。5.如权利要求1
‑
4任一项所述的正极极片，其特征在于，以所述正极活性物质层的质量为100％计，所述正极活...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ七四专利代理机构，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：