CN108878888A - 一种锂离子电池正极极片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锂离子电池正极极片，包括纳米级正极活性材料和不同尺寸的碳纳米管，碳纳米管包括具有粘性的第一尺寸碳纳米管、第二尺寸碳纳米管和第三尺寸碳纳米管，第一尺寸碳纳米管粘附于所述纳米级正极活性物质的表面，第二尺寸碳纳米管作为导电剂与粘附有第一尺寸碳纳米管的纳米级正极活性物质共混，第三尺寸碳纳米管交织缠绕成网状，将第二尺寸碳纳米管和所述包覆有第一尺寸碳纳米管的纳米级正极活性物质缠绕成一个整体层状结构，本发明显著减少了导电剂和粘结剂的用量，增加了正极活性物质的容量，纳米级的正极活性材料放大了粒子在充放电时的利用率，提高了电池的整体性能。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，更具体地，涉及一种锂离子电池正极极片。
背景技术
随着电子技术和新能源的发展，锂离子电池在工业科技中占着非常重要的低位，锂离子电池的工作原理是锂在电池的正负极之间进行嵌入和脱嵌来完成充放电工作，在这个工作过程中，锂离子在任何一个环节都有可能出现各种问题，从而阻碍锂的顺畅运输，锂离子电池包括正极、负极、隔膜和电解液，锂离子电池的正极是锂电池活性中心，锂离子电池正极包括正极集流体、正极活性物质、粘结剂、导电剂和分散剂，我们通常从各个元素来着手改善正极材料的安全性，能量密度和功率密度，以期待获得具有更加优异性能的锂离子电池。
常用的正极活性物质包括钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂，每种正极材料都有其理论能量密度，选择了一种正极材料，就选择了电芯能量密度的上限，材料的一些细节，作为辅助因素，也会对功率特性造成影响，比如，正极材料的晶体结构稳定性，颗粒尺寸，掺杂原子，碳包覆工艺，材料的制备方法等，以上因素最终都是通过影响正极材料容纳锂离子的能力和脱嵌嵌入通道的通畅性来影响锂电池的功率密度。
常用的粘结剂通常使用含氟聚合物，含氟聚合物不具有导电性，增加了电池正极的电阻，而且导电颗粒和粘结剂的使用量通常占正极极片的质量百分含量10％以上，影响了正极活性物质的容量。
发明内容
鉴于现有技术情况，为解决现有技术的不足，本发明提供了一种应用纳米级材料作为粘结剂、导电剂、集流体和正极活性物质的锂离子电池正极极片,采用如下技术方案。
一种锂离子电池正极极片，所述锂离子电池正极极片包括纳米级正极活性材料和不同尺寸的碳纳米管，所述纳米级正极活性材料包括钴酸锂和磷酸铁锂，所述钴酸锂和所述磷酸铁锂为纳米球状或纳米纤维状，所述碳纳米管包括第一尺寸碳纳米管、第二尺寸碳纳米管和第三尺寸碳纳米管。
优选的，所述纳米球状钴酸锂和纳米球状磷酸铁锂直径为20-300nm，所述纳米纤维状钴酸锂、纳米纤维状磷酸铁锂直径为20-200nm，长度为40nm-10um。
优选的，所述纳米级正极活性材料的质量百分含量为85％-92％，所述钴酸锂的质量百分含量为1-91％。
优选的，所述第一尺寸碳纳米管选自单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或两种，优选为单壁碳纳米管，所述第一尺寸碳纳米管直径为1-5nm，其长度为0.3-1.5um。
优选的，所述第二尺寸碳纳米管选自单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或两种，优选为多壁碳纳米管，所述第二尺寸碳纳米管直径为3-30nm，其长度为1-10um，所述第二尺寸碳纳米管的质量百分含量为不少于1％。
优选的，所述第三尺寸碳纳米管选自单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或两种，优选为多壁碳纳米管，所述第三尺寸碳纳米管直径为15-40nm，其长度为10-50um，所述第三尺寸碳纳米管的质量百分含量不少于5％。
优选的，所述不同尺寸的碳纳米管具有粘性，所述第一尺寸碳纳米管粘附于所述纳米级正极活性物质的表面，所述第二尺寸碳纳米管作为导电剂与粘附有第一尺寸碳纳米管的纳米级正极活性物质共混，所述第三尺寸碳纳米管交织缠绕成网状，将所述第二尺寸碳纳米管和所述包覆有第一尺寸碳纳米管的纳米级正极活性物质缠绕成一个整体层状结构。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明所述的锂离子电池使用不同尺寸的碳纳米管作为粘结剂、导电剂和代替集流体，相对于不导电的粘结剂，所述碳纳米管具有导电性能，增加了正极极片的导电性，同时既可作为导电剂又可作为粘结剂，显著减少了导电剂和粘结剂的用量，进而增加了正极活性物质的容量，提高了电池的性能。
2、在第三尺寸碳纳米管交织的网状集流体内，纤维状的第二尺寸碳纳米管作为导电剂，交织在网状集流体中，更好地将正极活性材料固定在集流体中。
3、本发明的正极活性材料为纳米级尺寸，提高锂离子扩散率，保证大电流放电时容量不衰减，在小尺寸内发生离子嵌入和脱嵌过程不会有较大的体积变化，这样便可以稳定物质的结构，而且粒子大小分布均匀能提高大粒子在充放电时的利用率，减少不可逆容量。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步详细介绍，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。。
实施例：
一种锂离子电池正极极片，所述锂离子电池正极极片包括纳米级正极活性材料和不同尺寸的碳纳米管，所述纳米级正极活性材料包括钴酸锂和磷酸铁锂，所述钴酸锂和所述磷酸铁锂为纳米球状或纳米纤维状，所述碳纳米管包括第一尺寸碳纳米管、第二尺寸碳纳米管和第三尺寸碳纳米管。
所述不同尺寸的碳纳米管具有粘性，所述第一尺寸碳纳米管粘附于所述纳米级正极活性物质的表面，增加纳米级正极活性物质的导电性，但不排除脱落混合成为导电剂；所述第二尺寸碳纳米管作为导电剂与粘附有第一尺寸碳纳米管的纳米级正极活性物质共混，作为优良的导电剂存在，但不排除粘附于所述纳米级正极活性物质表面；所述第三尺寸碳纳米管交织缠绕成网状，将所述第二尺寸碳纳米管和所述包覆有第一尺寸碳纳米管的纳米级正极活性物质缠绕成一个整体层状结构。
所述第一尺寸碳纳米管选自单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或两种，优选为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的混合物，所述第一尺寸碳纳米管直径为1-5nm，其长度为0.3-1.5um。
所述第二尺寸碳纳米管选自单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或两种，优选为多壁碳纳米管的混合物，所述第二尺寸碳纳米管直径为3-30nm，其长度为1-10um，所述第二尺寸碳纳米管的质量百分含量为不少于1％。
所述第三尺寸碳纳米管选自单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或两种，优选为多壁碳纳米管，所述第三尺寸碳纳米管直径为15-40nm，其长度为10-50um，所述第三尺寸碳纳米管的质量百分含量不少于5％。
所述单壁碳纳米管的管径很小，一般在1-2nm之间，更大直径的单壁管不能很稳定的存在，使得其比表面能很高，大多情况以成束存在，由于第一尺寸碳纳米管的范围尺寸很小，所以第一尺寸碳纳米管优选单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的混合物。所述第二尺寸碳纳米管和第三尺寸碳纳米管的范围尺寸较大，故优选多壁碳纳米管。
因碳纳米管是微小颗粒的集合，故其尺寸值为一个范围，在此范围内，其尺寸对本发明的技术效果无影响。
实施例1-实施例6碳纳米管成分相同，所述纳米级正极活性物质的形貌和含量不同，如表1所示，其中，所述第一尺寸碳纳米管选用单壁碳纳米管，所述第二尺寸碳纳米管选用多壁碳纳米管，其质量百分含量为1％，所述第三尺寸碳纳米管选用多壁碳纳米管，质量百分含量为5％。
表1：实施例1-实施例6纳米级正极活性物质的形貌和含量
性能测试：
制备对比例1-对比例6，将聚偏氟乙酸作为粘结剂，导电石墨作为导电剂，质量比为1:1，所用正极活性物质与实施例1-实施例6相同，然后将实施例1-实施例6和对比例1-对比例6与金属锂组成半电池，所使用的隔膜和电解液相同，在相同条件下进行充放电循环测试，结果如下表2、表3所示，表2为实施例1-实施例6循环性能测试结果，表2为对比例1-对比例6循环性能测试结果。
表2：实施例1-实施例6循环性能测试结果
表3：对比例1-对比例6循环性能测试结果
综上所述，实施例相对于对比例，其比容量和循环性能都显著改善，实施例2相对于实施例1，正极活性物质的尺寸较大，比容量和循环性能稍有下降，实施例3相对于实施例2，钴酸锂含量增加，比容量和循环性能稍好，但是加入磷酸铁锂有助于锂离子电池的安全性能，正极活性物质的纳米球状或纳米纤维状形貌对本发明的技术效果无显著影响。
Claims (7)
1.一种锂离子电池正极极片，其特征在于，所述锂离子电池正极极片包括纳米级正极活性材料和不同尺寸的碳纳米管，所述纳米级正极活性材料包括钴酸锂和磷酸铁锂，所述钴酸锂和所述磷酸铁锂为纳米球状或纳米纤维状，所述碳纳米管包括第一尺寸碳纳米管、第二尺寸碳纳米管和第三尺寸碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极极片，其特征在于，所述纳米球状钴酸锂和纳米球状磷酸铁锂直径为20-300nm，所述纳米纤维状钴酸锂、纳米纤维状磷酸铁锂直径为20-200nm，长度为40nm-10um。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极极片，其特征在于，所述纳米级正极活性材料的质量百分含量为85％-92％，所述钴酸锂的质量百分含量为1-91％。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极极片，其特征在于，所述第一尺寸碳纳米管选自单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或两种，优选为单壁碳纳米管，所述第一尺寸碳纳米管直径为1-5nm，其长度为0.3-1.5um。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极极片，其特征在于，所述第二尺寸碳纳米管选自单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或两种，优选为多壁碳纳米管，所述第二尺寸碳纳米管直径为3-30nm，其长度为1-10um，所述第二尺寸碳纳米管为不少于1％。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极极片，其特征在于，所述第三尺寸碳纳米管选自单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或两种，优选为多壁碳纳米管，所述第三尺寸碳纳米管直径为15-40nm，其长度为10-50um，所述第三尺寸碳纳米管的质量百分含量为不少于5％。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极极片，其特征在于，所述不同尺寸的碳纳米管具有粘性，所述第一尺寸碳纳米管粘附于所述纳米级正极活性物质的表面，所述第二尺寸碳纳米管作为导电剂与粘附有第一尺寸碳纳米管的纳米级正极活性物质共混，所述第三尺寸碳纳米管交织缠绕成网状，将所述第二尺寸碳纳米管和所述包覆有第一尺寸碳纳米管的纳米级正极活性物质缠绕成一个整体层状结构。
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