一种锂原电池的复合正极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种锂原电池的复合正极材料及其制备方法和应用。所述复合正极材料包括纳米氟化钛材料、碳材料和粘接剂。本发明专利技术通过采用具有半金属特性的氟化钛复合材料作为锂原电池的正极材料，利用该材料良好的电子导电性和高比容量，制备得到一种能够满足大流放电特性和高比能量的锂/氟化钛的原电池。性和高比能量的锂/氟化钛的原电池。性和高比能量的锂/氟化钛的原电池。

【技术实现步骤摘要】
一种锂原电池的复合正极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于正极材料
，具体涉及一种锂原电池的复合正极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂原电池由于其具有寿命长和免维护的优势，因此在智能物联网和能源互联网等领域的需求迅速增加，此外，其在无人水下航行器、潜标浮标、通信设备、智能引信以及无人飞行器等国防领域也存在广泛应用。
[0003]目前，商业化的锂原电池主要分为锂/亚硫酰氯电池、锂/二氧化硫电池、锂/二氧化锰电池、锂/二硫化铁电池以及锂/氟化碳电池。现有技术中的锂原电池具备能量密度与放电倍率无法兼顾的缺点，特别是在大电流密度下其放电性能较差，难以满足在1C以上倍率的连续放电，限制了锂原电池在诸多需要高倍率放电条件下的应用场景。
[0004]近年来，已报道的具有高倍率放电性能的锂原电池包括以色列TADIRAN公司“TLM”系列产品、功率型锂/氟化碳电池和锂/铬基氧化物电池等。“TLM”系列产品虽然具有高达5C的放电倍率，但其能量密度仅有97Wh/kg；功率型锂/氟化碳电池虽然可以支持约在1C的倍率下进行放电，但由于氟化碳具有导电性差且密度低的劣势，电池在高倍率下放电时产生较多的热量，而且电池的体积能量密度较低；锂/铬基氧化物电池因铬氧化物正极材料的毒性较大，不利于大面积推广使用。
[0005]基于以上需求和现有锂原电池体系中存在的上述问题，开发兼具高比能和高倍率的锂原电池材料具有重要意义。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种锂原电池的复合正极材料及其制备方法和应用。本专利技术通过采用具有半金属特性的氟化钛复合材料作为锂原电池的正极材料，利用该材料良好的电子导电性和高比容量，制备得到一种能够满足大流放电特性和高比能量的锂/氟化钛的原电池。
[0007]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种锂原电池的复合正极材料，所述复合正极材料包括纳米氟化钛材料、碳材料和粘接剂。
[0009]本专利技术通过采用具有半金属特性的氟化钛复合材料作为锂原电池的正极材料，利用该材料良好的电子导电性和高比容量，制备得到一种能够满足大流放电特性和高比能量的锂/氟化钛的原电池。氟化钛(TiF3)是一种典型的半金属材料，其自旋向下的电子轨道具有一个5.5eV的大带隙，但同时费米面穿过了自旋向上的电子轨道，导致了在费米面附近充足的电子态，因此其表现出较好的电子导电性。同时，TiF3中的Ti元素为+3价，即发生转化反应生成金属Ti时可转移3个电子，反应原理为TiF3+3Li
+
+3e
‑
→
Ti+3LiF，理论容量为767mAh g
‑1，理论电动势为1.396V，理论能量密度约为1071Wh Kg
‑1。TiF3的密度为3.4gcm
‑3，
约为氟化石墨密度的1.3倍，因此具有较高的体积能量密度。此外，TiF3的锂离子扩散系数级为10
‑
13
cm
2 s
‑1，其能够表现出较快的锂离子扩散速率，而且在嵌锂过程中其体积膨胀显著小于现有技术中公开的AlF3等金属氟化物。
[0010]综上可知，氟化钛是一种具有良好的导电性、较高比能量以及嵌锂体积膨胀小的正极材料，进而能够实现锂原电池能量密度与放电倍率的兼顾，同时实现锂原电池重量能量密度与体积能量密度的双重兼顾。另外，纳米氟化钛材料能够缩短电子和锂离子的传输路径，提高其电化学性能。
[0011]优选地，所述纳米氟化钛材料的平均粒径为100nm
‑
500nm，例如可以为100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm，出于篇幅简短的考虑，对上述范围内的数值不再一一列举。
[0012]在本专利技术中，通过调整纳米氟化钛材料的平均粒径，使得颗粒的粒径具有良好的加工性和离子传输特性，粒径过小则会导致颗粒发生团聚，后续匀浆过程的分散性差，反之粒径过大则会导致锂离子在材料中的传输路径长，材料的倍率性能较差。
[0013]优选地，所述碳材料包括碳纳米管或石墨烯。
[0014]优选地，所述复合正极材料中碳材料的质量百分含量为0.5％
‑
10％，例如可以为0.5％、1％、2％、3％、4％、5％、8％、10％，出于篇幅简短的考虑，对上述范围内的数值不再一一列举。
[0015]在本专利技术中，通过调整复合正极材料中碳材料的质量百分含量，使得复合正极材料既具有良好的导电性，又具备较高的克容量，含量过低则会导致复合正极材料导电性差，材料倍率性能差，反之则会导致复合正极材料中非活性物质占比高，材料克容量低。
[0016]优选地，所述复合正极材料中粘接剂包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚噻吩(PEDOT)、聚四氟乙烯(PTFE)或聚丙烯酸(PAA)中的任意一种或至少两种的组合。
[0017]优选地，所述复合正极材料中粘接剂的质量百分含量为0.5％
‑
5％，例如可以为0.5％、1％、2％、3％、4％、5％，出于篇幅简短的考虑，对上述范围内的数值不再一一列举。
[0018]优选地，所述复合正极材料的平均粒径为3μm
‑
10μm，例如可以为3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm，出于篇幅简短的考虑，对上述范围内的数值不再一一列举。
[0019]在本专利技术中，通过调整复合正极材料的平均粒径，使得粒径尺寸既具有良好的匀浆、涂布以及碾压等加工性能，又具有快速的离子传输性能，粒径过小则会导致颗粒发生团聚，匀浆涂布困难以及压实密度低；反之则会导致离子的传输距离长以及材料的倍率性能较差。
[0020]第二方面，本专利技术提供了一种制备根据第一方面所述的锂原电池的复合正极材料的方法，所述方法包括以下步骤：
[0021]将纳米氟化钛材料、碳材料和粘接剂进行混合，得到前驱体材料，而后将前驱体材料进行造粒或喷雾干燥，得到所述复合正极材料。
[0022]优选地，所述造粒的温度为400℃
‑
500℃，例如可以为400℃、420℃、450℃、480℃、500℃；压力为0.1MPa
‑
0.15MPa，例如可以为0.1MPa、0.11MPa、0.12MPa、0.13MPa、0.14MPa、0.15MPa。
[0023]优选地，所述喷雾干燥的温度为120℃～170℃，例如可以为120℃、140℃、160℃、170℃；压力为10MPa～20MPa，例如可以为10MPa、12MPa、15MPa、18MPa、20MPa。
[0024]在本专利技术中，采用喷雾干燥或造粒工艺将纳米氟化钛材料与导电碳粘接成微米尺度颗粒，进一步提高材料的导电性，使其满足更高的放电倍率，同时改善纳米级氟化钛材料的匀浆分散性和提高极片的压实密度。
[0025]第三方面，本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂原电池的复合正极材料，其特征在于，所述复合正极材料包括纳米氟化钛材料、碳材料和粘接剂。2.根据权利要求1所述的复合正极材料，其特征在于，所述纳米氟化钛材料的平均粒径为100nm
‑
500nm。3.根据权利要求1或2所述的复合正极材料，其特征在于，所述碳材料包括碳纳米管或石墨烯。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的复合正极材料，其特征在于，所述复合正极材料中碳材料的质量百分含量为0.5％
‑
10％。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的复合正极材料，其特征在于，所述复合正极材料中粘接剂包括聚偏氟乙烯、聚噻吩、聚四氟乙烯或聚丙烯酸中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述复合正极材料中粘接剂的质量百分含量为0.5％
‑
5％。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的复...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦鹏，刘鹏程，
申请(专利权)人：惠州亿纬锂能股份有限公司，
类型：发明
国别省市：