[发明专利]一种高能量密度锂离子电池正极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种以单一的钴镍锰三元材料作为正极活性物质的高能量密度锂离子电池正极及其制备方法。

背景技术

目前锂离子电池中主要采用的正极活性物质有四种：钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂，其中已经成功商业化的正极材料有钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂，但是锰酸锂的比容量较低，高温下容量衰减较严重；磷酸铁锂存在放电电压低、振实密度与比容量低等不足；镍酸锂在制备时易生成非化学计量比的产物，结构稳定性和热稳定性差。锰酸锂、磷酸铁锂及镍酸锂这三种正极活性物质自身的缺点都限制了其大规模的商业应用。钴酸锂作为目前最成熟的锂离子电池正极活性物质，其成熟度和利润已经同时接近了极限，无论材料本身还是与之配套的电池体系，都达到了其他正极材料无法企及的高度，钴酸锂由于结构的原因，虽然具有274mAh/g的比容量，但是深度放电会导致结构的坍塌，所以目前实际的比容量发挥只有140~150mAh/g，导致能量密度较低，由于现在对于电池能量密度越来越高的要求，其发展也遇到了瓶颈。

钴镍锰三元材料是具有层状结构的正极活性物质，它具有电化学容量高、循环性能好、成本低等特点，尤其是高容量和高安全性是其他正极活性物质望尘莫及的，考虑到其压实、比容量等综合性能，是目前量产的正极活性物质中潜力最大，最有发展前景的一种。

三元材料存在巨大的优势，但并没有取代钴酸锂，这是因为在实际产业化的过程中，与钴酸锂相比，三元材料的电极加工性能不良，三元材料形成的团聚体在辊压中很容易发生破碎，很难保证材料在高压实下的形貌保持，即使压力不高仍然会有15%以上的小球发生破碎，也就是涂覆在集流体上的正极浆料在进行辊压时，三元材料的颗粒很容易碎裂，使得三元材料与粘结剂导电剂的接触不紧密引起极化，导致压实密度相对于钴酸锂偏低，能量密度也不能超越现有钴酸锂的水平，做出的电池的一致性或者稳定性不能尽如人意。提高充电电压是在不变更正极活性物质的前提下进一步提高能量密度最直接和最有效的手段，但是如今的瓶颈是适用于三元材料的高压电解液的开发。

因此在现阶段，提高三元材料能量密度最现实的方法是提高三元材料正极片的压实密度，方案有两种：一是将三元材料和钴酸锂混合使用以提高正极片的压实密度，但钴酸锂价格昂贵，钴资源紧缺，造成生产成本较高，且钴酸锂安全性差，该方法对能量密度的提高也十分有限；二是对三元材料进行掺杂或表面包覆改性以提高正极片的压实密度，掺杂或表面包覆改性的生产成本非常高，对工艺要求非常严格，且工艺也不够成熟，不利于进行工业化生产。

申请公布号CN102332577A，申请公布日2012.01.25的中国专利公开了一种锂离子电池及其正极材料，该发明通过选用适当颗粒度的镍钴锰系三元材料与钴酸锂正极材料进行混合，并严格控制两者的比例，同时对混合后的复合正极材料进行包覆处理，所得到材料的克容量相对于纯钴酸锂有了大幅度的提升，并极大提高了正极膜片的空间利用率，所得到正极膜片的压实密度可以达到4.0g/cm3以上。该发明将镍钴锰系三元材料与钴酸锂正极材料进行混合，一方面生产成本依然较高，另一方面能达到的比容量只有150mAh/g，与现有钴酸锂140~150mAh/g的比容量相比提高有限，电池能力密度低，同时，该发明对复合正极材料进行包覆的工艺步骤复杂，且生产成本高，不适合工业化生产。

发明内容

本发明是为了解决现有技术的三元材料加工性能不良，制成的锂离子电池能量密度低的问题，提供了一种高能量密度锂离子电池正极，该正极加工性能优良，使用单一的镍钴锰三元材料作为正极活性物质，制得的锂离子电池能量密度高，生产成本低。

本发明还提供了一种高能量密度锂离子电池正极的制备方法，该方法工艺步骤简单，生产成本低，适合工业化生产。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：