一种高能量密度正极材料、正极极片和锂离子电池制造技术

本发明专利技术提供一种高能量密度正极材料、正极极片和锂离子电池，正极材料中含有正极活性物质和添加剂，正极极片包括金属集流体和正极材料，添加剂直接与正极活性物质一起涂覆在金属集流体上，或在具有正极活性物质的极片上喷涂微米级别厚度的添加剂，锂离子电池包括电池壳、极芯和电解液，极芯和电解液密封在电池壳内，极芯包括正极、负极、以及位于正极和负极之间的隔膜，正极包括正极集流体和位于正极集流体上的高能量密度正极材料。本发明专利技术在正极材料中采用特定种类的添加剂，其具有极高的理论比容量和实际比容量；可实现利用其不可逆容量的活性锂补充负极SEI膜的消耗，动力电池能量密度的提升和寿命的延长；避免了一般补锂技术的安全隐患。安全隐患。安全隐患。

【技术实现步骤摘要】
一种高能量密度正极材料、正极极片和锂离子电池


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，具体涉及一种高能量密度正极材料、正极极片和锂离子电池。

技术介绍

[0002]近年来新能源市场不断发展成熟，随着整车续航要求的提升，高能量密度的锂离子电池需求量显著增加。同时，新能源车使用场景越加丰富，例如从车上退役后锂离子电池用于物流车、楼宇、基站的梯级利用，需要进一步提升锂离子电池的使用寿命。
[0003]但是，由于锂离子电池负极活性材料主要为石墨负极，而石墨负极的嵌锂电位低于有机电解液，如PC、EC、DEC的还原电位。因此，在首次充电过程中会还原电解液而在负极表面生成一层固体电解质膜(SEI)，这个过程不仅有电子参与，同时也有锂离子参与。例如生成LiF、Li2CO3即烷基碳酸锂等含锂有机物。由于在锂离子电池中石墨负极并不含有锂，正极作为形成SEI过程中的唯一供锂源，将会导致7％
‑
15％的活性锂损失，进而影响动力电池的能量密度和使用寿命。
[0004]为了提升动力电池的能量密度和使用寿命，广泛的补锂技术研究提供了多种的解决方案。例如，通过浆料补锂，即将金属锂或含有锂的有机物、改性材料等、负极材料和非水液体混合形成浆料，将浆料涂到集流体上，然后经干燥、辊压、注液等工序。该方法虽然能提高锂离子电池能量密度，但金属锂反应活性高，极易与空气中的氧气以及水分发生反应。因此，在制备过程中对水分的控制要求也极为苛刻，从而增加了工艺难度。同时，由于锂离子电池对各种材料纯度要求极高，所用含锂材料一旦引入杂质，将会对电池性能造成不良影响。或者通过进行表面处理的稳定金属锂粉，但受限于其活性太高，难以使用锂离子电池制程前工序的操作时间。同时，锂粉容易飘浮在空气中，存在较大安全隐患。或者采用富锂的锂盐、锂氧化物、含锂有机物等材料在正极进行材料层级补锂，但由于补锂材料的活性问题，以及锂锂离子的利用率问题，给实际应用带来较大困难。
[0005]现有技术公开了一种极片补锂方法及系统，通过采用对金属锂片或锂带增加基材，一方面增强了锂带的强度，另一方面也在锂带与复合装置之间形成阻隔，使锂带在输送过程中不会与复合装置直接接触，因此避免了锂带在生产过程中被扯断或夹断。但此种方法对制造过程中的环境要求极高，以避免金属锂与空气、水发生反应，所以实际应用难度较高。
[0006]现有技术还公开了负极补锂浆料、负极及锂二次电池，通过采用金属锂粉及预聚体制成补锂浆料，并涂布与已制备完成的负极极片上，再利用光照或加热等条件使补锂浆料中的预聚体发生聚合反应形成大分子聚合物，然后进行冷压制片得到补锂的负极极片。但此种方法增加了锂离子电池的制成复杂度，而且金属锂粉及预聚体的补锂浆料的均一性及量产过程中的分散度难以保持均一，容易发生沉降导致制成后的电芯一致性降低。
[0007]现有技术还公开了一种向锂离子电池正极片补锂的方法，通过将均匀有机锂溶液喷洒或滴加在正极片的表面，实现了“湿法补锂”，从而有效地避免干法补锂时金属锂粉在
空气中的漂浮，保证生产安全，而且整个工序简单，成本较低，补锂的量可以通过喷洒或滴加的有机锂溶液的量、喷洒或滴加的时间来加以准确控制，以达到均匀补锂的目的，防止正极片的析锂和变形，提高电池的首次效率，进而提高电池的能量密度。但是此种方法补锂必须在惰性气氛中实施，以保证高活性的有机锂溶液的稳定性，所以实际应用难度较高。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种高能量密度正极材料，还提供一种正极极片和锂离子电池，主要解决锂离子电池现有补锂方式效率低，操作过程复杂，且具有一定的安全隐患的问题。
[0009]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0010]一种高能量密度正极材料，所述正极材料中含有正极活性物质和添加剂，所述添加剂为Li2NixMyO2@LFP
‑
X的核壳材料，即在Li2Ni
x
M
y
O2材料外部通过物理或化学包覆一层LFP
‑
X材料；其中，0＜x≤1，y＝1
‑
x，M为Cu、Al、Fe、Mn、Co、Ti、Sb、Mg等金属元素，或B、F等非金属元素。进一步地，所述LFP
‑
X壳材料为纯相LiFePO4材料或纯相LiFePO4进行金属掺杂的LFP
‑
X材料，其中X可以为Mg、Mn、Al、Ti、V、Nb、Sb等金属。
[0011]进一步地，所述Li2Ni
x
M
y
O2@LFP
‑
X材料，通过化学方法或物理方法制成，Li2NixMyO2@LFP
‑
X材料的粒径为1
‑
10um，其中Li2NixMyO2的核材料的粒径为0.5
‑
9.5um，LFP
‑
X壳材料的粒径为0.5
‑
5um。
[0012]更进一步地，所述化学方法为固相法或液相法，所述固相法选用高温固相反应法、碳热还原法、微波合成发和脉冲激光沉积法合成、溶胶凝胶法、水热合成法、沉淀法及溶剂热合成法；所述物理方法选用高能球磨、物理气相沉积方法。
[0013]进一步地，所述Li2Ni
x
M
y
O2@LFP
‑
X材料在制备过程中选用的锂源为Li2CO3、LiOH、Li2O、CH3COOLi、LiNO3和Li2C2O4中的一种或多种，铁源为Fe2O3、FeOOH、Fe(OH)3、Fe(NO3)3、Fe2(SO4)3中的一种或多种，镍源为NiO、NiO2、NiOOH、Ni(OH)2、NiNO3、Ni2SO4中的一种或多种，金属源，即M为Cu、Al、Fe、Mn、Co、Ti、Sb、Mg等金属元素时，使用MOx、MO(OH)x、M(NO3)x、M(SO4)x中的一种或多种，其中x取决于金属元素的价态。
[0014]一种正极极片，包括金属集流体和高能量密度正极材料，添加剂直接与正极活性物质一起涂覆在金属集流体上，或在具有正极活性物质的极片上喷涂微米级别厚度的添加剂。
[0015]进一步地，所述添加剂与正极活性材料的质量百分比为a，0％＜a≤50％。
[0016]更进一步地，所述添加剂与正极活性材料的质量百分比为5％
‑
15％。
[0017]更进一步地，所述添加剂采用制备成浆料后，通过喷涂法、丝网印刷法、刮涂法涂布于正极活性材料极片表面，厚度为1
‑
10um。
[0018]一种锂离子电池，所述锂离子电池包括电池壳、极芯和电解液，所述极芯和电解液密封在电池壳内，所述极芯包括正极、负极、以及位于正极和负极之间的隔膜，所述正极包括正极集流体和位于正极集流体上的高能量密度正极材料。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0020]1、本专利技术提供了一种高能量密度正极材料、极片和锂离子电池，本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高能量密度正极材料，其特征在于：所述正极材料中含有正极活性物质和添加剂，所述添加剂为Li2NixMyO2@LFP
‑
X的核壳材料，即在Li2Ni
x
M
y
O2材料外部通过物理或化学包覆一层LFP
‑
X材料；其中，0＜x≤1，y＝1
‑
x，M为Cu、Al、Fe、Mn、Co、Ti、Sb、Mg等金属元素，或B、F等非金属元素。2.根据权利要求1所述的一种高能量密度正极材料，其特征在于：所述LFP
‑
X壳材料为纯相LiFePO4材料或纯相LiFePO4进行金属掺杂的LFP
‑
X材料，其中X可以为Mg、Mn、Al、Ti、V、Nb、Sb等金属。3.根据权利要求1所述的一种高能量密度正极材料，其特征在于：所述Li2Ni
x
M
y
O2@LFP
‑
X材料，通过化学方法或物理方法制成，Li2NixMyO2@LFP
‑
X材料的粒径为1
‑
10um，其中Li2NixMyO2的核材料的粒径为0.5
‑
9.5um，LFP
‑
X壳材料的粒径为0.5
‑
5um。4.根据权利要求3所述的一种高能量密度正极材料，其特征在于：所述化学方法为固相法或液相法，所述固相法选用高温固相反应法、碳热还原法、微波合成发和脉冲激光沉积法合成、溶胶凝胶法、水热合成法、沉淀法及溶剂热合成法；所述物理方法选用高能球磨、物理气相沉积...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓蕾，陈蓓娜，姜涛，闫晟睿，翟喜民，高天一，胡景博，孙焕丽，
申请(专利权)人：中国第一汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：