一种正极极片及其制备方法、电池与流程

本发明涉及锂电池，尤其涉及一种正极极片及其制备方法、电池。

背景技术：

1、锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命及环境友好等优势，已广泛应用于消费电子、电动汽车及储能系统等领域。随着应用场景的不断拓展，市场对锂离子电池能量密度的要求日益提升。

2、磷酸铁锂（lfp）材料因结构稳定、成本低廉和安全性能优异而获得广泛应用，但其能量密度已逐渐接近理论极限。为提升电池能量密度，在磷酸铁锂体系中引入三元层状氧化物材料（如镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂）已成为一种有效途径；然而，三元材料与磷酸铁锂的简单物理混合（即掺混体系）在实际应用中面临功率性能不足的问题，主要原因在于：一方面，三元材料与磷酸铁锂的颗粒形貌、粒径分布及表面特性存在显著差异，两者在浆料调制和涂布过程中难以实现均匀分散，导致极片内部微观结构一致性差，锂离子传输路径受阻；另一方面，三元材料在循环过程中易发生颗粒破碎和过渡金属溶出，尤其在高压实密度条件下上述问题更为突出，进而加速电池容量衰减。为缓解上述问题，现有技术尝试通过优化混料工艺、调整粘结剂体系等手段加以改进，但效果有限，仍难以在能量密度、功率性能和循环寿命之间实现良好平衡。

技术实现思路

1、为了解决现有磷酸铁锂-三元材料混合体系因颗粒形貌、粒径及表面特性差异大而导致浆料分散不均、极片内部微观结构一致性差，以及三元材料在高压实条件下易发生颗粒破碎和过渡金属溶出，进而导致电池功率性能不足和循环稳定性差的技术问题，本发明核心提供了一种正极极片，通过对两种三元材料及磷酸铁锂材料的颗粒形貌、粒径分布及钴含量等关键参数进行差异化设计，有效改善了电池的功率性能和循环稳定性，使电池在5c倍率下的放电能力达到95%以上，在1c/1c充放电条件下容量保持率降至80%时的循环次数达到3000次以上，能够满足高功率、长寿命应用场景的需求。

2、本发明第一方面提供了一种正极极片，所述正极极片包括：

3、集流体；

4、设置于所述集流体沿厚度方向至少一侧表面的第一正极涂层；所述第一正极涂层包括磷酸铁锂材料和三元材料a；

5、设置于所述第一正极涂层远离所述集流体的表面的第二正极涂层；所述第二正极涂层包括三元材料b。

6、可选的，所述正极极片满足以下至少一种条件：

7、（1）所述三元材料a的球形度大于所述三元材料b的球形度；

8、（2）所述三元材料a的休止角小于所述磷酸铁锂材料的休止角，且两者的差值为10°~20°；

9、（3）所述磷酸铁锂材料的dv50粒径小于所述三元材料b的dv50粒径；

10、（4）所述三元材料b的dv50粒径小于等于所述三元材料a的dv50粒径。

11、可选的，所述正极极片满足以下至少一种条件：

12、（1）所述三元材料a的球形度为0.8~1；

13、（2）所述三元材料a的休止角为20°~30°；

14、（3）所述三元材料a的dv50粒径为5μm~8μm；

15、（4）所述磷酸铁锂材料的休止角为30°~50°；

16、（5）所述磷酸铁锂材料的dv50粒径为0.5μm~2μm；

17、（6）所述三元材料b的球形度为0.6~0.8；

18、（7）所述三元材料b的dv50粒径为2μm~5μm。

19、可选的，所述三元材料a与三元材料b均为含钴的三元材料，且满足以下至少一种条件：

20、（1）所述三元材料a中的钴含量低于所述三元材料b中的钴含量；

21、（2）所述三元材料a中的钴含量为所述三元材料a中除li外金属总量的4mol%~8mol%；

22、（3）所述三元材料b中的钴含量为所述三元材料b中除li外金属总量的8mol%~12mol%。

23、可选的，所述三元材料a、三元材料b的化学式均为lianibcocmdneof；

24、其中，0.6≤a≤1.1，0.5≤b≤0.95，0.04≤c≤0.12，0.01≤d≤0.35，0.001≤e≤0.01，1.9≤f≤2.1，且b+c+d+e=1，m包括mn、al中的至少一种，n包括mg、sr、b、ca、na、k、sn、cu、ti、nb、la、bi、zr中的一种或多种的组合。

25、可选的，所述磷酸铁锂材料包括磷酸铁锂本体和包覆于磷酸铁锂本体表面的碳包覆层；

26、所述磷酸铁锂材料满足以下条件的至少一种：

27、（1）所述碳包覆层的质量为磷酸铁锂材料质量的1wt%~2wt%；

28、（2）所述磷酸铁锂材料的质量为所述三元材料a和磷酸铁锂材料质量之和的60wt%~90wt%。

29、可选的，所述磷酸铁锂材料含有掺杂元素，且所述磷酸铁锂材料满足以下条件的至少一种：

30、（1）所述磷酸铁锂本体含有掺杂元素；

31、（2）所述碳包覆层含有掺杂元素；

32、（3）所述掺杂元素包括金属元素；

33、（4）所述掺杂元素选自ti、v、zr、mn、mg、al中的至少一种；

34、（5）所述掺杂元素包括非金属元素；

35、（6）所述掺杂元素选自si、f、n、cl中的至少一种；

36、（7）所述掺杂元素在磷酸铁锂材料中的掺杂量为500ppm~3000ppm。

37、可选的，所述正极极片满足以下条件的至少一种：

38、（1）所述第一正极涂层的厚度大于所述第二正极涂层的厚度；

39、（2）所述第一正极涂层的厚度为75μm~100μm；

40、（3）所述第二正极涂层的厚度为35μm~60μm。

41、本发明第二方面提供了一种正极极片的制备方法，所述正极极片采用分步涂布或共涂布的方式制备得到；

42、所述分步涂布的操作步骤包括：

43、将磷酸铁锂材料、三元材料a、第一粘结剂、第一导电剂和分散剂混合均匀，得到第一正极浆料；

44、将第一正极浆料涂覆于集流体表面，烘干后得到第一正极涂层；

45、将三元材料b、第二粘结剂和第二导电剂混合均匀，得到第二正极浆料；

46、将第二正极浆料涂覆于第一正极涂层远离所述集流体的一侧表面，经烘干、辊压后得到正极极片；

47、所述共涂布的操作步骤包括：

48、将磷酸铁锂材料、三元材料a、第一粘结剂、第一导电剂和分散剂混合均匀，得到第一正极浆料；

49、将三元材料b、第二粘结剂和第二导电剂混合均匀，得到第二正极浆料；

50、采用多层挤压涂布模头，将所述第一正极浆料和所述第二正极浆料同时挤出并涂覆于集流体表面；烘干后得到依次层叠的集流体、第一正极涂层和第二正极涂层，辊压后得到正极极片。

51、本发明第三方面提供了一种电池，所述电池包含如上所述的正极极片或如上所述制备方法制备的正极极片。

52、有益效果：

53、本发明提供一种正极极片及其制备方法、电池，具有以下优点：

54、（1）本发明通过将正极极片设置为双层涂层结构，第一正极涂层含磷酸铁锂材料和三元材料a、第二正极涂层含三元材料b，使两种涂层功能分化、协同增效，改善了电池的综合性能；

55、（2）本发明通过控制三元材料a的球形度高于三元材料b的球形度，使第一正极涂层获得较高的振实密度和压实密度以提升能量密度，第二正极涂层形成适中的孔隙率以改善电解液浸润和倍率性能；

56、（3）本发明通过控制三元材料a的休止角与磷酸铁锂材料的休止角之差为10°~20°，改善了两种颗粒的分散均匀性，抑制了磷酸铁锂对三元材料a的包覆以及辊压过程中的颗粒破碎，延长了电池的循环寿命；

57、（4）本发明通过将三元材料a的粒径控制为5μm~8μm、磷酸铁锂材料的粒径控制为0.5μm~2μm、三元材料b的粒径控制为2μm~5μm，使各层材料在压实密度、倍率性能和抗破碎能力之间取得平衡。

58、（5）本发明通过将三元材料a的钴含量（4mol%~8%）设置为低于三元材料b的钴含量（8mol%~12%），在保证第二正极涂层界面反应活性的前提下降低了第一正极涂层的钴用量，兼顾了电化学性能与材料成本；

59、（6）本发明通过对磷酸铁锂材料设置碳包覆层（1wt%~2wt%）并引入掺杂元素（500ppm~3000ppm），从表面包覆与体相掺杂两个维度改善了电子电导率，提升了电池的倍率性能；

60、（7）本发明通过将磷酸铁锂材料在混合活性材料中的占比控制为60wt%~90wt%，兼顾了电池的安全性能、能量密度和倍率性能；

61、（8）本发明通过将第一正极涂层的厚度（75μm~100μm）设置为大于第二正极涂层的厚度（35μm~60μm），使第一正极涂层充分发挥安全结构支撑作用，第二正极涂层充分发挥界面动力学优势，实现了安全性能与功率性能的平衡；

62、（9）本发明提供的制备方法可采用分步涂布或共涂布方式实现，工艺灵活性强，适配不同产线条件，具有良好的产业化应用前景。