CN112289995A - 复合正极浆料与正极极片、固态电池 - Google Patents

复合正极浆料与正极极片、固态电池 Download PDF

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Abstract

本申请涉及电池领域，公开一种复合正极浆料与正极极片、固态电池。该复合正极浆料的制备方法包括以下步骤：将正极活性材料与锂碳硼氧化物混合并在660‑700℃烧结后得到预制烧结料；将所得预制烧结料、固体电解质、导电剂、胶黏剂和锂盐溶于溶剂，混合后得到所述复合正极浆料；用于解决现有固态电池阻抗大，电池电化学性能差的问题。

Description

复合正极浆料与正极极片、固态电池
技术领域
本申请涉及电池领域，特别涉及一种用于固态二次电池的复合正极浆料与正极极片、固态电池。
背景技术
近年来，具有沸点低、闪点低、易燃易挥发的有机电解液所带来的安全事故随着锂电池应用规模的增大而增大，大大制约了高比能量锂二次电池的发展。采用固态电解质替代传统有机液态电解液的全固态电池，有望从根本上解决电池安全性问题，是电动汽车和规模化储能设备理想的化学电源。针对全固态电池的开发，为了构建稳定的界面，提高离子电导率，降低界面阻抗，除了所选材料的种类之外，它们之间的比例、复合方式以及电池的最终设计都是关注和研究的重点。
目前，锂电池正极材料与固体电解质的复合领域中，现有的研究表明，在高温状态下，正极材料与固态电解质容易发生各种化学反应，产生不需要的杂质，从而影响固定电池的电化学性能。因此，目前正极材料与固定电解质的复合方式一直采用物理混合，即直接将活性材料、固体电解质、黏结剂、锂盐混合做成浆料，涂覆在正极集流体上，经过鼓风干燥烘干制成正极极片。但是，该混合方式中，固态电解质颗粒与颗粒之间会存在很大的间隙，这些间隙会造成固态电解质界面性能的不稳定，阻碍锂离子在固态电解质与正极材料间的传导，进而增加了固态电池的阻抗，降低了固态电池的循环稳定性和容量等电化学性能。
发明内容
本申请公开了一种复合正极浆料与正极极片、固态电池，用于解决现有固态电池阻抗大，电池电化学性能差的问题。
为达到上述目的，本申请提供以下技术方案：
一种复合正极浆料，该复合正极浆料的制备方法包括以下步骤：
将正极活性材料与锂碳硼氧化物混合并在660-700℃烧结后得到预制烧结料；
将所得预制烧结料、固体电解质、导电剂、胶黏剂和锂盐溶于溶剂，混合后得到所述复合正极浆料。
进一步地，烧结过程中的烧结时间为1-3h。
进一步地，所述正极活性材料与所述锂碳硼氧化物的质量比为55～60:10～15。
进一步地，所述正极活性材料与所述固体电解质的质量比为55～60:35～25。
进一步地，先将所述预制烧结料和所述固体电解质球磨混合，得到预制混合料，然后再将所述预制混合料与所述导电剂、所述胶黏剂和所述锂盐溶于所述溶剂中进行混合。
进一步地，所述预制混合料、所述导电剂、所述胶黏剂和所述锂盐的质量比为7.5～8.5:2～1:0.5:0.1～0.2。
进一步地，所述锂碳硼氧化物的结构式为Li2.3-xC0.7+xB0.3-xO3，其中，x的取值范围为：0～0.2；
所述锂碳硼氧化物包括Li2.3C0.7B0.3O3、Li2.2C0.8B0.2O3或Li2.1C0.9B0.1O3中的至少一种。
进一步地，所述锂盐选自LiTFSI、LiFSI、LiCF3SO3 -、LiBOB、LiODFB、LiFNFSI或LiTNFSI中的至少一种。
一种正极极片，将本申请的复合正极浆料涂覆于正极集流体表面，干燥后得到所述正极极片。
一种固态电池，包括负极极片、本申请的正极极片、以及设置于所述负极极片与所述正极极片之间的固态电解质膜。
采用本申请的技术方案，产生的有益效果如下：
本申请提供的复合正极浆料，在制备过程中，将正极活性材料与锂碳硼氧化物混合并在660-700℃进行烧结，该烧结过程中，烧结温度能够使锂碳硼形成熔融态，使其包裹在正极活性材料颗粒的表面，同时该烧结温度又不会使正极活性材料与锂碳硼氧化物发生副化学反应，避免有害物质的形成。之后，将烧结后得到的预制烧结料再与固体电解质混合形成复合正极浆料，利用该复合正极浆料制备的复合正极中，正极活性材料与固体电解质之间通过锂碳硼氧化物连接，锂碳硼氧化物可作为固体电解质的一部分，与固体电解质共同形成锂离子的传输通道，从而可提高正极活性材料与固体电解质的接触面积，进而可提高离子导电性，降低界面阻抗，进而提高固态电池的电化学性能。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是：本申请中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方法可以相互组合形成新的技术方案。本申请中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。本申请中，如果没有特别的说明，百分数(％)或者份指的是相对于组合物的重量百分数或重量份。本申请中，如果没有特别的说明，所涉及的各组分或其优选组分可以相互组合形成新的技术方案。本申请中，除非有其他说明，数值范围“a～b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“6～22”表示本文中已经全部列出了“6～22”之间的全部实数，“6～22”只是这些数值组合的缩略表示。本申请所公开的“范围”以下限和上限的形式，可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。本申请中，除非另有说明，各个反应或操作步骤可以顺序进行，也可以按照顺序进行。优选地，本文中的反应方法是顺序进行的。
除非另有说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法或材料也可应用于本申请中。
第一方面，本申请挺高一种复合正极浆料，所述复合正极浆料的制备方法包括以下步骤：
将正极活性材料与锂碳硼氧化物混合并在660-700℃烧结后得到预制烧结料；
将所得预制烧结料、固体电解质、导电剂、胶黏剂和锂盐溶于溶剂，混合后得到所述复合正极浆料。
本申请提供的复合正极浆料，在制备过程中，将正极活性材料与锂碳硼氧化物混合并在660-700℃进行烧结，该烧结过程中，烧结温度能够使锂碳硼形成熔融态，使其包裹在正极活性材料颗粒的表面，同时该烧结温度又不会使正极活性材料与锂碳硼氧化物发生副化学反应，避免有害物质的形成。之后，将烧结后得到的预制烧结料再与固体电解质混合形成复合正极浆料，利用该复合正极浆料制备的复合正极中，正极活性材料与固体电解质之间通过锂碳硼氧化物连接，锂碳硼氧化物可作为固体电解质的一部分，与固体电解质共同形成锂离子的传输通道，从而可提高正极活性材料与固体电解质的接触面积，进而可提高离子导电性，降低界面阻抗，进而提高固态电池的电化学性能。
其中，正极活性材料例如可以为：钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等。
胶黏剂例如可以为聚偏氟乙烯PVDF。
其中，烧结温度典型但非限制性的例如可以为660℃、665℃、670℃、675℃、680℃、685℃、690℃、695℃或700℃。
在本申请的一种实施例中，烧结过程中的烧结时间为1-3h。其中，该烧结时间例如可以为1h、1.5h、2h、2.5h或3h。
在本申请的一种实施例中，所述正极活性材料与所述锂碳硼氧化物的质量比为55～60:10～15。通过优化正极活性材料与锂碳硼氧化物的质量比，既可以使锂碳硼氧化物熔融后包覆正极活性材料，又不会降低正极活性材料的导电性和能量密度。其中，正极活性材料与锂碳硼氧化物的质量比例如可以为55:10、55:12、55:15、58:10、58:12、58:15、60:10、60:12或60:15。
在本申请的一种实施例中，所述正极活性材料与所述固体电解质的质量比为55～60:35～25。通过优化正极活性材料和固体电解质的质量比，可以有效提高锂离子的传输效率，并且使得打的正极材料具有较高的能量密度。
其中，正极活性材料与所述固体电解质的质量比为55:35、58:35、60:35、55:30、58:30、60:30、55:25、58:25或60:25。
在本申请的一种实施例中，先将所述预制烧结料和所述固体电解质球磨混合，得到预制混合料，然后再将所述预制混合料与所述导电剂、所述胶黏剂和所述锂盐溶于所述溶剂中进行混合。先将预制烧结料和固体电解质球磨混合，可以使预制烧结料和固体电解质充分接触混合，减少预制烧结料和固体电解质的间隙，进而减少固体电池中正极活性材料与固体电解质之间的间隙，降低界面阻抗。
在本申请的一种实施例中，所述预制混合料、所述导电剂、所述胶黏剂和所述锂盐的质量比为7.5～8.5:2～1:0.5:0.1～0.2。
在本申请的一种实施例中，所述锂碳硼氧化物的结构式为Li2.3-xC0.7+xB0.3-xO3，其中，x的取值范围为：0～0.2。
其中，所述锂碳硼氧化物例如包括但是不限于Li2.3C0.7B0.3O3、Li2.2C0.8B0.2O3或Li2.1C0.9B0.1O3中的至少一种。
在本申请的一种实施例中，所述锂盐的结构式为LiY，其中，Y包括但不限于(CF3SO2)2N-、(FSO2)2N-、CF3SO3 -、B(OC2O2)2 -、(OC2O2)F2B-(C3F6SO2)(FSO2)N-或者(CF3SO2)(n-C4F9SO2)N-。相应地，锂盐例如可以选自LiTFSI、LiFSI、LiCF3SO3、LiBOB、LiODFB、LiFNFSI或LiTNFSI中的至少一种。
第二方面，本申请提供一种正极极片，将本申请第一方面的复合正极浆料涂覆于正极集流体表面，干燥后得到所述正极极片。
本申请的正极极片利用本申请第一方面的复合正极浆料制备得到，因此，该正极极片具备本申请复合正极浆料的优点，在此不再赘述。
其中，正极集流体例如为铜片。
第三方面，本申请提供一种固态电池，包括负极极片、正极极片以及设置于所述负极极片与所述正极极片之间的固态电解质膜。
该固态电池的正极极片中，正极活性材料能够与固态电解质形成良好的导通关系，因此，本申请的固态电池具有较低的界面电阻，从而具有较高的电池容量和循环稳定性。
其中，固态电解质膜例如可以为LAGP(磷锗铝锂电解质膜)、LATP(磷钛铝锂电解质膜)等。
下面将结合实施例和对比例对本申请做进一步详细的说明。
实施例1
正极极片的制备：
步骤S11)按质量比55:10:35分别称取钴酸锂、锂碳硼氧化物和LAGP，先将钴酸锂和锂碳硼氧化物混合均匀后在660℃下煅烧1h得到预计烧结料；
步骤S12)所得预制烧结料与LAGP充分球磨后得到预制混合料；
步骤S13)将预制混合料、导电剂、胶黏剂按质量比8:1.5:0.5在NMP中混合后加入锂盐得到复合正极浆料；其中，锂盐与胶黏剂质量比为1:5；
步骤S14)将所得的复合正极浆料涂覆在正极集流体上，经过鼓风干燥烘干后得到正极极片，其中烘烤温度为95℃。
实施例2
正极极片的制备：
步骤S11)按质量比58:12:30分别称取钴酸锂、锂碳硼氧化物和LAGP，先将钴酸锂和锂碳硼氧化物混合均匀后在660℃下煅烧1h得到预计烧结料；
步骤S12)所得预制烧结料与LAGP充分球磨后得到预制混合料；
步骤S13)将预制混合料、导电剂、胶黏剂按质量比8:1.5:0.5在NMP中混合后加入锂盐得到复合正极浆料；其中，锂盐与胶黏剂质量比为1:5；
步骤S14)将所得的复合正极浆料涂覆在正极集流体上，经过鼓风干燥烘干后得到正极极片，其中烘烤温度为95℃。
实施例3
正极极片的制备：
步骤S11)按质量比60:15:25分别称取钴酸锂、锂碳硼氧化物和LAGP，先将钴酸锂和锂碳硼氧化物混合均匀后在660℃下煅烧1h得到预计烧结料；
步骤S12)所得预制烧结料与LAGP充分球磨后得到预制混合料；
步骤S13)将预制混合料、导电剂、胶黏剂按质量比8:1.5:0.5在NMP中混合后加入锂盐得到复合正极浆料；其中，锂盐与胶黏剂质量比为1:5；
步骤S14)将所得的复合正极浆料涂覆在正极集流体上，经过鼓风干燥烘干后得到正极极片，其中烘烤温度为95℃。
对比例1
正极极片的制备：
步骤S11)按质量比60:40分别称取钴酸锂和LAGP，经钴酸锂和LAGP充分球磨后得到预制混合料；
步骤S12)将预制混合料、导电剂、胶黏剂按质量比8:1.5:0.5在NMP中混合后加入锂盐得到复合正极浆料；其中，锂盐与胶黏剂质量比为1:5；
步骤S13)将所得的复合正极浆料涂覆在正极集流体上，经过鼓风干燥烘干后得到正极极片，其中烘烤温度为95℃。
对比例2
正极极片的制备：
步骤S11)按质量比60:40分别称取钴酸锂和LAGP，钴酸锂和LAGP混合均匀后在700℃下煅烧1h得到预计烧结料；
步骤S12)将预制烧结料、导电剂、胶黏剂按质量比8:1.5:0.5在NMP中混合后加入锂盐得到复合正极浆料；其中，锂盐与胶黏剂质量比为1:5；
步骤S13)将所得的复合正极浆料涂覆在正极集流体上，经过鼓风干燥烘干后得到正极极片，其中烘烤温度为95℃。
分别利用实施例1-3和对比例1-2提供的正极极片制作固态电池，并测试所得固态电池的循环稳定性和容量。测试结果列于表1。
其中，固态电池的制备过程如下：
将制备的正极极片与固态电解质膜热压在一起，得到正极/电解质层复合片，其中，热压压力为1MPa压力，热压温度80-100℃；将热压后得到的正极/电解质层复合片裁剪为直径16mm的圆片；将电池壳、正极/电解质层复合片、Li片、垫片、弹片、电池壳依次叠放，然后放置在冲压机上冲压，得到扣式电池，然后在60-80℃下预热12h。其中，Li片表面经抛光处理，以去除Li片表面氧化层。电池在0.05C下进行充放电测试，测得的电化学性能如下：
表1
序号 电池初始容量 循环50圈 容量保持率
实施例1 139.2mAh/g 130.8mAh/g 94.0％
实施例2 140.6mAh/g 137.8mAh/g 98.0％
实施例3 138.5mAh/g 133mAh/g 96.0％
对比例1 125.5mAh/g 106.7mAh/g 85.0％
对比例2 121.2mAh/g 100mAh/g 82.5％
从表1中的数据可以看出，利用实施例1-3中的正极极片制备的固态电池，其电池初始容量以及进行充放电循环处理后的容量均高于对比例1和2所对应的固态电池。
显然，本领域的技术人员可以对本申请实施例进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种复合正极浆料，其特征在于，所述复合正极浆料的制备方法包括以下步骤：
将正极活性材料与锂碳硼氧化物混合并在660-700℃烧结后得到预制烧结料；
将所得预制烧结料、固体电解质、导电剂、胶黏剂和锂盐溶于溶剂，混合后得到所述复合正极浆料。
2.根据权利要求1所述的复合正极浆料，其特征在于，烧结过程中的烧结时间为1-3h。
3.根据权利要求1所述的复合正极浆料，其特征在于，所述正极活性材料与所述锂碳硼氧化物的质量比为55～60:10～15。
4.根据权利要求3所述的复合正极浆料，其特征在于，所述正极活性材料与所述固体电解质的质量比为55～60:35～25。
5.根据权利要求1-4任一项所述的复合正极浆料，其特征在于，先将所述预制烧结料和所述固体电解质球磨混合，得到预制混合料，然后再将所述预制混合料与所述导电剂、所述胶黏剂和所述锂盐溶于所述溶剂中进行混合。
6.根据权利要求5所述的复合正极浆料，其特征在于，所述预制混合料、所述导电剂、所述胶黏剂和所述锂盐的质量比为7.5～8.5:2～1:0.5:0.1～0.2。
7.根据权利要求1-4任一项所述的复合正极浆料，其特征在于，所述锂碳硼氧化物的结构式为Li2.3-xC0.7+xB0.3-xO3，其中，x的取值范围为：0～0.2；
所述锂碳硼氧化物包括Li2.3C0.7B0.3O3、Li2.2C0.8B0.2O3或Li2.1C0.9B0.1O3中的至少一种。
8.根据权利要求1-4任一项所述的复合正极浆料，其特征在于，所述锂盐选自LiTFSI、LiFSI、LiCF3SO3 -、LiBOB、LiODFB、LiFNFSI或LiTNFSI中的至少一种。
9.一种正极极片，其特征在于，将权利要求1-8任一项所述的复合正极浆料涂覆于正极集流体表面，干燥后得到所述正极极片。
10.一种固态电池，其特征在于，包括负极极片、权利要求9所述的正极极片、以及设置于所述负极极片与所述正极极片之间的固态电解质膜。
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