[发明专利]一种锂离子电池正极材料复合导电剂

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池正极材料复合导电剂。该复合导电剂包括多孔活性炭和导电材料。

背景技术

作为一种高能的绿色储能器件，锂离子电池具有比容量大、放电电压高而平稳、低温性能好、环境友好、安全、寿命长、自放电微弱等优点，因而受到了人们的青睐，目前已经占据了便携电源的市场，在手机、数码相机和笔记本电脑等电子产品上得到了广泛的应用；随着廉价正极材料的开发、发展与成熟，锂离子电池终将进入电动车动力电池的市场，并有可能分享动力电池的部分市场。

正极材料是锂离子电池的主要组成部分，正极材料性能的优劣直接影响到电池性能的发挥。在锂离子电池中使用的正极材料一般包括：正极活性材料、增强正极活性材料电子导电性的导电剂、以及增强这些材料粘结强度的粘接剂。正极活性材料一般为锂-过渡金属氧化物：LiCoO₂、LiNiO₂、LiCo_xNi_1-xO₂(0＜x＜1)、LiMn_1-x-yCo_xNi_yO₂(x、y均小于1)、LiMn₂O₄和橄榄石型磷酸盐LiMPO₄(M为Fe、Mn、Co、Ni、Cu、V等)，常见的为LiFePO₄。这些正极活性材料为导电性较差的半导体甚至是绝缘体，因此需要加入导电剂来增强导电性。导电剂包括颗粒状导电剂，如：乙炔黑、Super P、颗粒石墨、金属粉末以及两种或者两种以上不同颗粒状导电物质的复合物等；纤维状导电剂，如：气相生长碳纤维、碳纳米管和金属纤维等。导电剂和正极活性材料息息相关，如果正极活性材料里不加入导电剂，正极活性材料的优良性能就无法发挥出来。

导电剂在正极活性材料中的应用已经有不少专利文献报道。日本TDK株式会社的专利，公开号CN1194433C，利用向正极活性材料中加入粒经为0.1～40μm的膨胀化石墨，获得的电极能够改善放电比容量和充电放电循环寿命。比亚迪股份有限公司的专利，公开号CN1507092A，用金属粉末和金属纤维的复合物作为导电剂，添加到正极、负极活性物质中，得到了低内阻、较好循环特性和可以高倍率放电的锂离子二次电池。深圳市纳米港有限公司的专利，公开号CN1588679A，用多壁碳纳米管作为导电剂，得到的正极材料显著地提高了活性材料的电化学容量利用率和倍率充放电性能。中国科学院成都有机化学有限公司的专利，公开号CN1770515A，用碳纳米管和乙炔黑的复合物作为导电剂，加入到正极活性材料中，可以得到具有高比容量的正极材料。韩国SDI株式会社的专利，公开号CN1770516A，用比表面积为200～1500m²/g和小于100m²/g两种导电物质复合物为导电剂，得到的正极材料具有低的阻抗和高的活性物质密度。以上专利中应用的导电剂，都是高导电性的物质，其目的是增强正极活性材料的导电性。中孔材料指的是一半以上的孔径在2～50nm的多孔材料，对于使用含中孔材料的复合导电剂，来改善锂离子电池正极材料的性能，目前尚未见到相关专利文献。

发明内容

锂离子电池正极活性材料颗粒粒径为几个微米到几十个微米，比表面积很小，大多数的比表面积都小于10m²/g，正极活性材料本身也没有孔结构，吸收电解液的量都比较小。传统导电剂一般是乙炔黑、Super P、碳纤维、碳黑、金属粉中的一种或者几种。它们比表面积一般也不大，大多数的比表面积都小于100m²/g，吸收电解液的量也很有限。所以，使用传统导电剂，正极材料内部贮存电解液有限，充放电过程中离子从正极材料内部迁移迁出都会受阻。此外研究表明，孔径为2～50nm的中孔，可以实现溶剂化离子的快速迁移。本发明中的复合导电剂，用多孔活性炭替代部分导电材料形成复合导电剂。使用这种复合导电剂，均匀分散到正极内部的多孔活性炭增加了电解液的吸液量，可以为电极反应提供缓冲离子源，如图4示意图所示。复合导电剂的重量在正极材料中所占的比例为Wr。Wr的大小视所用的正极活性材料而定，导电性好的正极活性材料Wr可以小一点。如果正极活性材料是钴酸锂(LiCoO₂)，Wr为3wt.％；若是尖晶石锰酸锂(LiMn₂O₄)，Wr为7wt.％，甚至更多；若是磷酸铁锂，Wr为15wt.％。