一种正极材料及其在锂离子电池中的应用制造技术

本发明专利技术提供一种正极材料及其在锂离子电池中的应用。所述正极材料是由正极浆料形成的，在正极浆料的配料过程中加入式1所示化合物，其可以发生水解反应，消耗正极浆料中的微量水。此外，含硅烷氧基官能团在水解后释放低分子醇，由此产生活泼性硅醇，该活泼性硅醇能与高镍正极活性物质上的羟基、羧基和其他含氧基团产生化学键合，使低表面能基团稳定分布在正极极片表面，导致正极极片具有极低的表面能和极差的水分湿润性，有效降低高镍正极活性物质对水分的吸收，进而改善高镍正极活性物质在循环过程中的容量保持率。该方法操作简单、经济可行，具有非常高的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种正极材料及其在锂离子电池中的应用
本专利技术属于锂离子电池正极领域，涉及到一种正极材料及其在锂离子电池中的应用。
技术介绍
锂离子电池具有较高的能量密度、功率密度和运行电压，已经被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和储能电网中。提高锂离子电池的能量密度，满足日益多样化的需求，一直是锂离子电池研究的主要方向之一。当正极活性物质暴露在空气中时，容易吸收空气中的二氧化碳和水，发生如下反应：即在颗粒表面形成Li2CO3和LiOH层，而Li2CO3和LiOH消耗了材料中的Li+，且又不具备电化学活性，因此会造成容量衰减，而且颗粒表面致密的Li2CO3层阻碍Li+的扩散，影响电池性能。此外，水分产生的碱性基团会攻击粘结剂如PVDF分子链上相邻的C-F键和C-H键，很容易发生双分子消去反应，形成一部分的碳碳双键。当PVDF内双键增加时，其粘结力也会增加，这会导致浆料粘度增加，甚至浆料形成凝胶状态。如何减少正极活性物质在使用过程中的水分吸收，降低正极在合浆、涂布和辊压等过程受制程工艺水分条件的影响，对于正极活性物质的应用具有重要价值。
技术实现思路
为了解决现有的正极活性物质容易吸收空气中的二氧化碳和水等问题，本专利技术提供一种正极材料及其在锂离子电池中的应用。本专利技术目的是通过如下技术方案实现的：一种正极材料，所述正极材料包括正极活性物质和化合物；其中，所述化合物的一端含有至少一个硅氧基团，另一端含有低表面能基团，所述低表面能基团选自含氟和/或烷基的疏水性基团。根据本专利技术，含有低表面能基团的该化合物也可以定义为低表面能化合物，其可以使得正极材料的表面能降低。根据本专利技术，所述低表面能基团选自-(CH2)p-(CR32)q-CR43；其中，p为1～5之间的整数，q为1～17之间的整数；R3相同或不同，彼此独立地选自H或F；R4相同或不同，彼此独立地选自H或F。根据本专利技术，p为2，q为1～17之间的整数，R3相同且选自F，R4相同且选自F；或者，p为1，q为1～16之间的整数，R3相同且选自H，R4相同且选自H。根据本专利技术，所述化合物连接到正极活性物质表面。具体的，所述化合物通过至少一个硅氧基团的氧原子连接到正极活性物质表面。本专利技术还提供一种正极材料，所述正极材料包括正极活性物质和化合物，所述化合物连接到正极活性物质表面，所述化合物具有式2所示结构式、式3所示结构式和式4所示结构式中的至少一种：式2～式4中，波浪线表示与化合物连接的正极活性物质；R2选自低表面能基团，所述低表面能基团选自含氟和/或烷基的疏水性基团；式3中，R1选自C1-6烷基；式4中，每一个R1相同或不同，彼此独立地选自C1-6烷基。根据本专利技术，所述低表面能基团选自-(CH2)p-(CR32)q-CR43；其中，p为1～5之间的整数，q为1～17之间的整数；R3相同或不同，彼此独立地选自H或F；R4相同或不同，彼此独立地选自H或F。根据本专利技术，p为2，q为1～17之间的整数，R3相同且选自F，R4相同且选自F；或者，p为1，q为1～16之间的整数，R3相同且选自H，R4相同且选自H。根据本专利技术，式3中，R1选自甲基或乙基；式4中，每一个R1相同或不同，彼此独立地选自甲基或乙基。根据本专利技术，所述正极活性物质选自Lix1Ni1-y1-z1-a1Coy1Mnz1M1a1O2、Lix2Ni1-y2-z2-a2Coy2Alz2M2a2O2以及上述材料经包覆改性得到的复合材料中的一种或几种；其中，0.95≤x1≤1.05，0＜y1≤0.2，0＜z1≤0.2，0≤a1≤0.05，M1选自Ti、Al、Zr、Mg、Zn、Ba、Mo、B中的一种或几种；0.95≤x2≤1.05，0＜y2≤0.1，0＜z2≤0.1，0≤a2≤0.05，M2选自Ti、Mn、Zr、Mg、Zn、Ba、Mo、B中的一种或几种。优选的，(1-y1-z1-a1)/(1-a1)≥0.6，和/或(1-y2-z2-a2)/(1-a2)≥0.6。根据本专利技术，所述正极材料的表面能<35mN/m。本专利技术还提供一种正极极片，所述正极极片包括上述的正极材料。根据本专利技术，所述正极材料的量占正极极片总质量的90～99.8wt％。根据本专利技术，所述正极极片还包括导电剂和粘结剂；所述粘结剂的量占正极极片总质量的0.01～5wt％；所述导电剂的量占正极极片总质量的0.01～5wt％。本专利技术还提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括上述的正极极片。本专利技术的有益效果：本专利技术提供一种正极材料及其在锂离子电池中的应用。所述正极材料中包括一种化合物，所述化合物的一端含有至少一个硅氧基团，另一端含有低表面能基团，所述化合物的引入可以将低表面能基团引入正极活性物质的表面，实现正极材料表面能的降低。包括本专利技术的正极材料的正极极片具有极低的表面能和极差的水分湿润性，有效降低正极活性物质对水分的吸收，进而改善正极活性物质在循环过程中的容量保持率。本专利技术的正极材料是由正极浆料形成的，本专利技术在正极浆料的配料过程中加入式1所示化合物(结构式如下所述)，其可以发生水解反应，消耗正极浆料中的微量水。其中，式1所示化合物中的硅烷氧基官能团在水解后释放低分子醇，由此产生活泼性硅醇，该活泼性硅醇能与正极活性物质上的羟基、羧基和其他含氧基团产生化学键合，使低表面能基团稳定分布在正极活性物质表面，即获得本申请的表面能降低的正极材料。该方法操作简单、经济可行，只需要在正极配料工艺中加入式1所示化合物，不需要对正极活性物质特殊处理以及对制备过程进行苛刻管控，具有非常高的应用价值。附图说明图1：水滴(4μL)在对比例1的正极极片表面的浸润性测试图；图2：水滴(4μL)在实施例1的正极极片表面的浸润性测试图；图3：水滴(4μL)在实施例2的正极极片表面的浸润性测试图；图4：水滴(4μL)在实施例3的正极极片表面的浸润性测试图；图5：实施例1-3和对比例1的锂离子电池循环周期和容量保持率数据。具体实施方式如前所述，本专利技术提供一种正极材料，所述正极材料包括正极活性物质和化合物，所述化合物的一端含有至少一个硅氧基团，另一端含有低表面能基团。根据本专利技术，所述低表面能基团选自含氟和/或烷基的疏水性基团。示例性地，所述低表面能基团选自-(CH2)p-(CR32)q-CR43；其中，p为1～5之间的整数，q为1～17之间的整数；R3相同或不同，彼此独立地选自H或F；R4相同或不同，彼此独立地选自H或F。根据本专利技术，p为2，q为1～17之间的整数，R3相同且选自F，R4相同且选自F；或者，p为1，q为1～16之间的整数，R3相同且选自H，R4相同且选自H。根据本专利技术，所述化合物连接到正极活性物质表面。所述化合物的引入使得正极活性物质具有极低的表面能和极差的水分湿润性，且使得包括该正极材料的正极极片也具有极低的表面能和极差的水分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种正极材料，所述正极材料包括正极活性物质和化合物；其中，所述化合物的一端含有至少一个硅氧基团，另一端含有低表面能基团，所述低表面能基团选自含氟和/或烷基的疏水性基团。/n

【技术特征摘要】
1.一种正极材料，所述正极材料包括正极活性物质和化合物；其中，所述化合物的一端含有至少一个硅氧基团，另一端含有低表面能基团，所述低表面能基团选自含氟和/或烷基的疏水性基团。


2.根据权利要求1所述的正极材料，其中，所述低表面能基团选自-(CH2)p-(CR32)q-CR43；其中，p为1～5之间的整数，q为1～17之间的整数；R3相同或不同，彼此独立地选自H或F；R4相同或不同，彼此独立地选自H或F。


3.根据权利要求2所述的正极材料，其中，p为2，q为1～17之间的整数，R3相同且选自F，R4相同且选自F；或者，p为1，q为1～16之间的整数，R3相同且选自H，R4相同且选自H。


4.根据权利要求1-3任一项所述的正极材料，其中，所述化合物连接到正极活性物质表面。


5.一种正极材料，所述正极材料包括正极活性物质和化合物，所述化合物连接到正极活性物质表面，所述化合物具有式2所示结构式、式3所示结构式和式4所示结构式中的至少一种：



式2～式4中，波浪线表示与化合物连接的正极活性物质；R2选自低表面能基团，所述低表面能基团选自含氟和/或烷基的疏水性基团；式3中，R1选自C1-6烷基；式4中，每一个R1相同或不同，彼此独立地选自C1...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭盼龙，伍鹏，李素丽，陈伟平，
申请(专利权)人：珠海冠宇电池股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44