一种复合正极材料及其制备方法以及一种化学电源及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种复合正极材料及其制备方法以及一种化学电源及其制备方法。复合正极材料主要由含锂活性物质和碳材料组成，含锂活性物质和碳材料独立地为球形或类球形，含锂活性物质和碳材料的粒径D50之比为

A composite cathode material and its preparation method, a chemical power supply and its preparation method

The invention provides a composite cathode material, a preparation method, a chemical power supply and a preparation method thereof. Composite cathode materials are mainly composed of lithium-containing active materials and carbon materials. Lithium-containing active materials and carbon materials are spherical or quasi-spherical independently. The ratio of particle size D50 of lithium-containing active materials to carbon materials is the same.

【技术实现步骤摘要】
一种复合正极材料及其制备方法以及一种化学电源及其制备方法
本专利技术属于化学电源
，涉及一种复合正极材料，尤其涉及一种复合正极材料及其制备方法以及一种化学电源及其制备方法。
技术介绍
随着经济发展、化石资源的消耗与环境危机问题迭出，人们越来越重视发展的可持续性与安全性。因此化学电源作为能源储存于转换系统以其资源利用率高、环境污染小诸多优点受到广泛关注。锂离子电池具有高输出电压、高能量密度、无记忆效应等优点是目前应用最广、最有发展潜力的二次电池，然而其功率性能、循环寿命较差。超级电容器作为一种新型电化学储能器件，具有高倍率、超长寿命、高安全性、高功率密度等优点弥补了锂离子电池的不足。以混合动力车(HEV)为代表的动力电源则要求高比功率和适当的比能量。锂离子电容器是一种新型的非对称电容器，可以在保证大功率输出的前提下，兼具较大的比能量，是固定线路运行的公交、轨交等混合电动和纯电动汽车的动电源的首选。锂离子电容器中常用的正极材料有活性炭材料、含锂活性物质材料，负极一般是活性炭、硬碳、石墨等具有低嵌锂电位的碳材料及钛酸锂等相对低电位的层状材料。就活性炭作为正极材料而言，虽然具有高功率特性，但是比能量低，且活性炭材料存在压实密度低(0.5～0.6gcm3)、容量低等问题，限制了器件的体积功率密度进一步提升。而含锂活性物质电极材料作为锂离子电池的正极材料，具有高能量密度，压实密度较活性炭材料有较大提升，但功率特性较差，可以通过“内部并联方式”将二者混合兼具能量密度和功率特性的优势作为一种新型的化学电源。CN108011104A公开了一种高压实密度磷酸铁锂正极材料及其制备方法，该方案选用大小两种颗粒浆料，在研磨阶段通过将大颗粒浆料和小颗粒浆料按照一定配比进行混合，然后分别经干燥处理和热处理制得高压实密度磷酸铁锂。该方案得到的产品在压实密度以及电化学性能上仍有待提高。CN107256968A公开了一种高压实密度磷酸铁锂及其制备方法，该方法通过使用大颗粒和小颗粒混杂的磷酸铁原料，与锂源混合，经一步研磨得到以磷酸铁为骨架的磷酸铁锂前驱体，再焙烧即可得到高压实密度磷酸铁锂。该方法虽然可以提升压实密度，但是该方法操作复杂，并且产品的电化学性能还有待提高。CN106532033A公开了一种混合锰酸锂材料的制备方法，包括以下步骤：(1)大颗粒锰酸锂材料的制备，(2)小颗粒锰酸锂材料的制备，(3)大小颗粒混合，即可得到混合的锰酸锂材料。该方案得到的产品在压实密度以及电化学性能上仍有待提高。因此，开发一种压实密度高的正极材料，并且进行过程优化，使得包含该正极材料的化学电源总做电压和能量密度高，循环性能好，对于本领域有重要价值。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种复合正极材料及其制备方法以及一种化学电源及其制备方法。本专利技术提供的复合正极材料压实密度和能量密度高。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种复合正极材料，所述复合正极材料主要由含锂活性物质和碳材料组成，所述含锂活性物质和碳材料独立地为球形或类球形，所述含锂活性物质和碳材料的粒径D50之比为本专利技术提供的复合正极材料中，所述含锂活性物质和碳材料的粒径D50之比为例如1∶0.375、1∶0.38、1∶0.385、1∶0.39、1∶0.395、1∶0.40、1∶0.405、1∶0.41或等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。本专利技术中，因为含锂活性物质和碳材料独立地为球形或类球形，当含锂活性物质和碳材料的直径所组成的圆，后者相切与前者时，两者的粒径之比为在本专利技术限定的含锂活性物质和碳材料的粒径D50之比为的范围内，两者混合不仅没有降低极片的压实密度，反而提升混合材料的压实密度，使其高于碳材料的压实密度。本专利技术中所述含锂活性物质均是指含锂的电极活性物质。以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为对本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本专利技术的技术目的和有益效果。作为本专利技术优选的技术方案，所述含锂活性物质和碳材料的质量比为例如ρ含锂活性物质：0.055·ρ碳材料、ρ含锂活性物质：0.06·ρ碳材料、ρ含锂活性物质：0.065·ρ碳材料、ρ含锂活性物质：0.07·ρ碳材料或等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，其中，p含锂活性物质为含锂活性物质的密度，ρ碳材料为碳材料的密度。本申请中，采用上述含锂活性物质和碳材料的质量比，对于实现本专利技术中锂离子化合物和碳材料的特定排布，提高压实密度提供了保证。优选地，所述含锂活性物质包括LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiFePO4、LiNi0.8Co0.2O2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.8Co0.1Al0.1O2或LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2中的任意一种或至少两种的组合。锂离子在上述材料中嵌入-脱嵌可逆性好、扩散速度快，伴随反应的体积变化小，这样它们都具有良好的循环特性和大电流特性。优选地，所述碳材料为活性炭。活性炭孔洞密集、比表面积大、具有较高的储能特性的双电层材料，是化学电源(例如超级电容器)的首选材料。第二方面，本专利技术提供一种如第一方面所述复合正极材料的制备方法，所述方法包括：将含锂活性物质与表面活性剂在水中加热混合，之后加入活性炭，继续进行混合，之后固液分离去除表面活性剂，对得到的固体进行热处理，冷却后得到所述碳基复合负极材料。作为本专利技术优选的技术方案，所述表面活性剂包括聚乙烯吡咯烷酮。优选地，所述含锂活性物质与表面活性剂的质量比为450∶1～550∶1，例如450∶1、470∶1、483∶1、500∶1、515∶1、530∶1、540∶1或550∶1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为500∶1。优选地，所述加热混合的温度为80～100℃，例如80℃、85℃、90℃、95℃或100℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，所述加热混合的时间为8～12h，例如8h、9h、10h、11h或12h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，所述加热混合和所述继续进行混合的混合方式均为搅拌混合。优选地，所述继续进行混合的时间为2～4h，例如2h、2.5h、3h、3.5h或4h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为3h。优选地，所述固液分离去除表面活性剂的方法为多次离心洗涤。优选地，所述热处理用管式炉进行。优选地，所述热处理的温度为820～870℃，例如820℃、830℃、840℃、850℃、860℃或870℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为850℃。优选地，所述热处理的时间为6～10h，例如6h、7h、8h、9h或10h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为8h。优选地，所述热处理的升温速率为4～6℃/min，例如4℃/min、4.5℃/min、5℃/min、5.5℃/min或6℃/min等，但并不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合正极材料，其特征在于，所述复合正极材料主要由含锂活性物质和碳材料组成，所述含锂活性物质和碳材料独立地为球形或类球形，所述含锂活性物质和碳材料的粒径D50之比为

【技术特征摘要】
1.一种复合正极材料，其特征在于，所述复合正极材料主要由含锂活性物质和碳材料组成，所述含锂活性物质和碳材料独立地为球形或类球形，所述含锂活性物质和碳材料的粒径D50之比为2.根据权利要求1所述复合正极材料，其特征在于，所述含锂活性物质和碳材料的质量比为其中，ρ含锂活性物质为含锂活性物质的密度，ρ碳材料为碳材料的密度；优选地，所述含锂活性物质包括LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiFePO4、LiNi0.8Co0.2O2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.8Co0.1Al0.1O2或LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述碳材料为活性炭。3.一种如权利要求1或2所述的复合正极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：将含锂活性物质与表面活性剂在水中加热混合，之后加入活性炭，继续进行混合，之后固液分离去除表面活性剂，对得到的固体进行热处理，冷却后得到所述碳基复合负极材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂包括聚乙烯吡咯烷酮；优选地，所述含锂活性物质与表面活性剂的质量比为450∶1～550∶1，优选为500∶1；优选地，所述加热混合的温度为80～100℃；优选地，所述加热混合的时间为8～12h；优选地，所述加热混合和所述继续进行混合的混合方式均为搅拌混合；优选地，所述继续进行混合的时间为2～4h，优选为3h；优选地，所述固液分离去除表面活性剂的方法为多次离心洗涤；优选地，所述热处理用管式炉进行；优选地，所述热处理的温度为820～870℃，优选为850℃；优选地，所述热处理的时间为6～10h，优选为8h；优选地，所述热处理的升温速率为4～6℃/min，优选为5℃/min；优选地，所述冷却将温度降低至15～35℃。5.一种化学电源，其特征在于，所述化学电源包含如权利要求1或2所述的复合正极材料。6.根据权利要求5所述的化学电源，其特征在于，所述化学电源包括正极片、负极片、位于正极片和负极片之间的隔膜、电解液和壳体；所述负极片包括负极集流体和涂布在负极集流体上的负极涂层，所述负极涂层包括负极活性物质、粘结剂和预掺杂的锂；所述正极片包括正极集流体和涂布在正极集流体上的正极涂层，所述正极涂层包括正极活性物质、导电剂和粘结剂；所述正极活性物质包括如权利要求1或2所述的复合正极材料；优选地，所述正极涂层中，导电剂包括石墨粉、炭黑或乙炔黑中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述正极涂层中，粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠或丁苯橡胶中的任意一种或至少两种的组合；所述正极涂层中，正极活性物质、导电剂和粘结剂的质量比为(90～92)∶(3～5)∶5；优选地，所述正极集流体包括铝箔和/或铝网。7.根据权利要求6所述的化学电源，其特征在于，所述负极活性物质为硬碳；优选地，所述负极涂层中，粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠或丁苯橡胶中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述负极涂层中，负极活性物质和粘结剂的质量比为(90～95)∶(5～10)；优选地，所述负极涂层中，预掺杂的锂为锂离子；优选地，所述负极集流体为包括铜箔和...

【专利技术属性】
技术研发人员：安仲勋，徐雪茹，杜连欢，夏恒恒，颜亮亮，吴明霞，龚正大，华黎，
申请(专利权)人：上海奥威科技开发有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31