一种正极片及其制备方法、电池和用电装置与流程

本申请涉及钠离子电池，尤其涉及一种正极片及其制备方法、电池和用电装置。

背景技术：

1、钠离子电池因钠资源储量丰富、分布广泛、成本低廉，且与锂离子电池工作原理接近、生产工艺兼容性好，在大规模储能领域具有广阔的应用前景。正极活性材料是影响钠离子电池性能的关键因素。在各类正极材料中，具有层状结构的过渡金属氧化物正极材料由于具有较高的理论容量、较高的密度以及材料制备的简易性而受到广泛关注。

2、根据层状结构氧化物稳定相结构，可将其分类为p2相和o3相层状金属氧化物。其中，o3相naxtmo2（0.67

3、现有技术中，为追求高容量往往采用高na/(tm+d)比例的材料，但这不可避免地牺牲了倍率性能和循环稳定性。在电芯设计层级，为了提升电芯的能量密度，一般通过增加正负极片面密度的技术路径。然而，对于厚面密度的正极极片而言，沿极片厚度方向的电化学不均匀性尤为突出。在充放电过程中，靠近隔膜侧的正极材料与电解液接触充分，电化学反应更为剧烈，脱钠深度更大；而靠近集流体侧的正极材料因离子传输路径长、浓差极化大，反应相对滞后，脱钠程度较低。这种空间尺度上的反应不均匀性导致正极材料沿极片厚度方向的降解速度不一致，最终影响整个电池的循环寿命。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种正极片及其制备方法、电池和用电装置，以解决上述问题。

2、为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：

3、本申请第一方面提供一种正极片，包括正极集流体和设置于所述正极集流体的至少一个表面的正极活性材料层，所述正极活性材料层包括正极材料，所述正极材料包括o3结构层状氧化物，所述o3结构层状氧化物的钠与过渡金属和掺杂元素总量的摩尔比沿远离所述正极集流体的方向上呈梯度变化且逐渐增大。

4、可选的，所述正极活性材料层至少包括第一子活性材料层和第二子活性材料层，所述第一子活性材料层设置于所述正极集流体和所述第二子活性材料层之间；

5、所述第一子活性材料层中的所述o3结构层状氧化物的化学通式为naa1tm1tmo2，所述第二子活性材料层中的所述o3结构层状氧化物的化学通式为naa2tm2tmo2；

6、其中，tm1和tm2各自独立地选自ni、fe、mn、cu、co、zn中的一种或多种；tm选自al、mg、ti、zr、y、la、ca、w、b、sr、ba、sn中的一种或多种，0.85≤a1＜a2≤1.00。

7、可选的，所述的正极片，满足以下条件中的至少一个：

8、（1）0.9≤a1≤0.94，0.94＜a2≤0.97；

9、（2）所述第一子活性材料层与所述第二子活性材料层的面密度比为1:9~9:1。

10、可选的，各层的所述o3结构层状氧化物具有相同的过渡金属组成；

11、所述过渡金属组成为ni、fe、mn三元体系，所述ni、fe、mn的摩尔比为(0.2~0.6):(0.2~0.4):(0.2~0.4)。

12、可选的，所述ni、fe、mn的摩尔比为(0.3~0.5):(0.15~0.25):(0.3~0.5)。

13、可选的，所述正极材料选自单晶、类单晶和多晶中的一种或多种，满足以下条件中的至少一个：

14、（1）所述正极材料的一次颗粒的中值粒径d50为2~10µm；

15、（2）所述正极材料的二次颗粒的中值粒径d50为5~20µm。

16、可选的，所述正极活性材料层还包含导电剂和粘结剂，满足以下条件中的至少一个：

17、（1）所述正极材料、导电剂和粘结剂的质量比为(90~98):(1~5):(1~5)；

18、（2）所述导电剂包括炭黑、乙炔黑、碳纤维、石墨烯和碳纳米管中的一种或多种；

19、（3）所述粘结剂包括羟基纤维素钠、聚丙烯酸和苯乙烯丁二烯橡胶中的一种或多种；

20、（4）所述正极集流体包括铝箔、铝基复合集流体中的一种或两种；

21、（5）所述正极集流体的厚度为4~16µm。

22、本申请第二方面提供一种上述正极片的制备方法，包括：

23、将不同钠与过渡金属和掺杂元素总量的摩尔比的o3结构层状氧化物分别与导电剂、粘结剂和溶剂混合，制备得到多种正极浆料；

24、采用双层一次涂布或双层阶梯涂布方法，将所述多种正极浆料按照钠与过渡金属和掺杂元素总量的摩尔比由低到高的顺序，从靠近正极集流体侧向远离正极集流体侧逐层涂覆，制备得到正极活性材料层；

25、经干燥、辊压，得到所述正极片。

26、本申请第三方面提供一种电池，包括上述的正极片，或由上述的正极片的制备方法制备得到。

27、本申请第四方面提供一种用电装置，包括上述的电池。

28、与现有技术相比，本申请的有益效果包括：

29、本申请提供的正极片的正极材料中o3结构层状氧化物的钠与过渡金属和掺杂元素总量的摩尔比沿远离正极集流体的方向上逐渐增大，o3结构层状氧化物中na含量与扩散能垒的内在关联，通过沿极片厚度方向梯度化设计钠与过渡金属和掺杂元素总量的摩尔比（na/(tm+d)），使靠近隔膜侧采用较高na/(tm+d)的正极材料，靠近集流体侧采用较低na/(tm+d)比例的正极材料，利用高na/(tm+d)比例材料较高的扩散能垒抑制隔膜侧的过度脱钠，利用低na/(tm+d)比例材料较低的扩散能垒促进集流体侧的离子传输动力学，从而实现正极活性材料沿极片厚度方向反应程度的均一化，提升正极片整体的循环一致性。

30、本申请提供的上述正极片的制备方法，制备得到沿极片厚度方向呈梯度化的钠与过渡金属和掺杂元素总量的摩尔比的正极片。

31、本申请提供的电池，包括上述反应均一化的正极片，该电池具有极佳的倍率与循环综合性能。

32、本申请提供的用电装置，包括上述电池，具有倍率性能好、循环寿命长的优点。

1.一种正极片，其特征在于，包括正极集流体和设置于所述正极集流体的至少一个表面的正极活性材料层，所述正极活性材料层包括正极材料，所述正极材料包括o3结构层状氧化物，所述o3结构层状氧化物的钠与过渡金属和掺杂元素总量的摩尔比沿远离所述正极集流体的方向上呈梯度变化且逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述正极活性材料层至少包括第一子活性材料层和第二子活性材料层，所述第一子活性材料层设置于所述正极集流体和所述第二子活性材料层之间；

3.根据权利要求2所述的正极片，其特征在于，满足以下条件中的至少一个：

4.根据权利要求2所述的正极片，其特征在于，各层的所述o3结构层状氧化物具有相同的过渡金属组成；

5.根据权利要求4所述的正极片，其特征在于，所述ni、fe、mn的摩尔比为(0.3~0.5):(0.15~0.25):(0.3~0.5)。

6.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述正极材料选自单晶、类单晶和多晶中的一种或多种，满足以下条件中的至少一个：

7.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述正极活性材料层还包含导电剂和粘结剂，满足以下条件中的至少一个：

8.一种权利要求1-7任一项所述的正极片的制备方法，其特征在于，包括：

9.一种电池，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的正极片，或由权利要求8所述的正极片的制备方法制备得到。

10.一种用电装置，其特征在于，包括权利要求9所述的电池。