正极材料及电芯结构的制作方法

1.本技术涉及锂电池技术领域，具体而言，涉及一种正极材料和具有该正极材料的电芯结构。


背景技术：

2.经市场分析，2021年电网侧储能、风电市场对锂电池需求达到40gwh，到2025年预计将达到300gwh，储能锂离子电池市场呈井喷式发展。
3.目前锂离子电芯以其高安全性、高稳定性、较高比能量成为储能锂离子电池产品主要储能单元，但储能产品商家为追求高能量密度，导致正极材料的自身导电率偏低，使得电芯内阻较大，循环衰减较快，使用寿命不足预期。


技术实现要素：

4.本技术提供正极材料及电芯结构，以解决上述电芯使用寿命不足问题。
5.本技术的实施例是这样实现的：
6.一种正极材料，其包括：
7.质量分数为94～96％的磷酸铁锂，质量分数为2～3％的粘接剂，和质量分数为2～3％的复合导电剂；
8.所述复合导电剂包括碳纳米管导电剂与导电炭黑的混合物；
9.所述碳纳米管导电剂包括多壁碳纳米管和石墨烯；
10.所述多壁碳纳米管包括管径不同的第一多壁碳纳米管和第二多壁碳纳米管，所述第一多壁碳纳米管的管径大于所述第二多壁碳纳米管的管径。
11.在一种可能的实施方式中：所述第一多壁碳纳米管与所述第二多壁碳纳米管的质量比例为1:99。
12.在一种可能的实施方式中：所述碳纳米管导电剂中，所述多壁碳纳米管与所述石墨烯的质量比例为2:8。
13.在一种可能的实施方式中：所述碳纳米管导电剂与所述导电炭黑的混合物中，所述碳纳米管导电剂的固体质量与所述导电炭黑的固体质量比例为(1.0～1.2):(1.3～1.5)。
14.在一种可能的实施方式中：所述第一多壁碳纳米管的管径数值至少为所述第二多壁碳纳米管的管径数值的十倍。
15.本技术的实施例还提供一种电芯结构，其包括：
16.正极极片、负极极片和隔膜，所述隔膜设置于所述正极极片与所述负极极片之间；
17.所述正极极片包括正极集流体和上述实施例所述的正极材料，所述正极材料涂覆于所述正极集流体表面；
18.所述负极极片包括负极集流体和负极材料，所述负极材料涂覆于所述负极集流体表面。
19.在一种可能的实施方式中：沿第一方向，所述正极集流体的侧边设置陶瓷层，所述陶瓷层的边缘超出所述负极极片的边缘。
20.在一种可能的实施方式中：沿所述第一方向，所述陶瓷层的最外侧与所述负极极片的最外侧之间的距离为2～3mm。
21.在一种可能的实施方式中：沿第二方向，所述陶瓷层厚度小于所述正极材料厚度。
22.在一种可能的实施方式中：还包括正极极耳和负极极耳，所述正极极耳连接所述正极集流体，所述负极极耳连接所述负极集流体；
23.所述负极极耳与负极集流体连接处涂覆所述负极材料，沿所述第一方向，所述连接处涂覆的所述负极材料的宽度为0.5～1.5mm；
24.沿所述第一方向，所述陶瓷层边缘超出所述连接处涂覆的所述负极材料的边缘。
25.本技术的正极材料和电芯结构通过使用具有不同管径的多壁碳纳米管、石墨烯和导电炭黑的混合物作为复合导电剂，有效提升了正极材料的导电性能，从而降低正极内阻，提升电芯的循环次数，达到提升电芯使用寿命的目的。同时，利用正极边缘的陶瓷层对负极极片边缘进行隔离，有效避免毛刺刺破隔膜导致正负极直接接触的短路问题，提升电芯的安全性能。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
27.图1为本技术一实施例的电芯结构的结构示意图。
28.图2为图1所示电芯结构的分解展开结构示意图。
29.图3为图1所示电芯结构的局部结构放大图。
30.图4为实施例与对比例的电芯结构循环次数试验数据曲线图。
31.主要元件符号说明：
32.电芯结构100正极极片10正极集流体11正极材料12陶瓷层13负极极片20负极集流体21负极材料22隔膜30正极极耳40负极极耳50
具体实施方式
33.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
34.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“设置于”另一个元件，它可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
35.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本技术。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
36.本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
37.在一实施例中，一种正极材料包括质量分数为94～96％的磷酸铁锂，质量分数为2～3％的粘接剂，和质量分数为2～3％的复合导电剂。具体地，所述复合导电剂的质量分数优选为2.3～2.5％。所述复合导电剂包括碳纳米管导电剂与导电炭黑的混合物，所述碳纳米管导电剂包括多壁碳纳米管和石墨烯，所述多壁碳纳米管包括管径不同的第一多壁碳纳米管和第二多壁碳纳米管，所述第一多壁碳纳米管的管径大于所述第二多壁碳纳米管的管径。
38.在本技术的实施例中，所述碳纳米管导电剂由多壁碳纳米管原料、石墨烯、分散剂和nmp混合形成，其中所述多壁碳纳米管与所述石墨烯的质量比例约为2:8，所述碳纳米管导电剂中的固体含量约为5％。所述碳纳米管导电剂制得后与导电炭黑混合，从而形成所述复合导电剂，其中所述碳纳米管导电剂的固体质量与所述导电炭黑的固体质量比例为(1.0～1.2):(1.3～1.5)。本技术的复合导电剂制备过程简单，制造成本相对较低，少量的复合导电剂添加至正极材料中即能显著提高正极材料的导电性能，从而提升电芯产品的循环次数，适用于工业化批量应用。
39.进一步地，在所述复合导电剂中，所述第一多壁碳纳米管与所述第二多壁碳纳米管的质量比例约为1:99。所述第一多壁碳纳米管的管径数值至少为所述第二多壁碳纳米管的管径数值的十倍。具体地，所述第一多壁碳纳米管的管径为10～100nm，优选为50nm；所述第二多壁碳纳米管的管径为1-9nm，优选为5nm。小直径的多壁碳纳米管材料具有优异的导电性能，大直径的多壁碳纳米管材料兼具良好的导电性能和机械性能。大、小直径的多壁碳纳米管按预设比例混合，可有效改善正极材料压实性能，缩短产品充放电过程离子传送距离，降低离子转移损耗，改善电芯产品循环性能，延长电芯产品使用寿命。
40.由于磷酸铁锂(lifepo4，lfp)自身导电性差，在磷酸铁锂为主体的正极材料中添加大、小直径多壁碳纳米管与石墨烯、导电炭黑混合形成的复合导电剂，可在确保lfp添加比例(确保电芯容量，储能电芯单体能量密度＞160wh/kg)前提下，有效提升正极材料导电性能，从而降低电芯产品的内阻，达到延长电芯产品使用寿命的目的。
41.请参阅图1、图2和图3，本技术的实施例还提供一种电芯结构100，包括正极极片
10、负极极片20和隔膜30，所述隔膜30设置于所述正极极片10与所述负极极片20之间。所述正极极片10包括正极集流体11和上述实施例所述的正极材料12，所述正极材料12涂覆于所述正极集流体11表面。所述负极极片20包括负极集流体21和负极材料22，所述负极材料22涂覆于所述负极集流体21表面。
42.进一步地，沿第一方向a，即电芯结构100的长度方向，所述正极极片10的边缘超出所述负极极片20的边缘，所述正极集流体11的侧边设置陶瓷层13，具体地，陶瓷层13位于正极集流体11连接极耳的一侧。所述陶瓷层13的边缘超出所述负极极片20的边缘。在本技术的实施例中，所述陶瓷层13的厚度小于或等于100μm。正极极片10上增加陶瓷层13，可有效预防极耳或极片成型过程金属毛刺凸出问题，同时，陶瓷层包覆负极边缘可进一步避免极耳或极片成型过程产生的金属毛刺刺穿隔膜短路问题。
43.具体地，正极集流体11表面涂覆的正极材料12和陶瓷层13相邻设置，优选为相互接触但不覆盖的结构，在实际制造过程中，正极材料12可略微覆盖部分陶瓷层13的边缘区域。沿所述第一方向a，正极集流体11单侧设置的陶瓷层13的宽度d1为3.5～4.5mm，所述陶瓷层13的最外侧与所述负极极片20的最外侧之间的距离d2为2～3mm，以有效隔离极片边缘毛刺，减少毛刺引起的短路、起火等安全问题。
44.在本技术的实施例中，沿第二方向，即电芯结构100的厚度方向，所述陶瓷层13厚度小于所述正极材料12厚度，并且在正极材料12经过辊压制程后，陶瓷层13的厚度依然小于正极材料12的厚度，以避免在制造或使用过程中陶瓷层13受压损坏。
45.进一步地，所述电芯结构100还包括正极极耳40和负极极耳50，所述正极极耳40连接所述正极集流体11，所述负极极耳50连接所述负极集流体21。连接方式包括但不限于焊接连接、导电胶粘胶、或通过裁切的方式让极耳与集流体为一体成型结构。
46.所述负极极耳50与负极集流体21连接处涂覆所述负极材料22，沿所述第一方向a，所述连接处涂覆的所述负极材料22的宽度d3为0.5～1.5mm。负极极耳根部预留敷料，可有效强化极耳机械性能，避免极耳翻折/内折导致的电芯短路问题。
47.进一步地，沿所述第一方向a，所述陶瓷层13边缘超出所述连接处涂覆的所述负极材料22的边缘，即d2＞d3，从而使正极集流体11上的陶瓷层13边缘超出负极极耳50根部的敷料边缘，有效消除极端使用过程(卷芯倒置/热失控后)正极集流体11接触负极材料22导致的燃烧安全隐患。
48.在一对比例中，电芯结构与实施例大致相同，区别在于，对比例中使用的正极材料未包含大、小直径混合的多壁碳纳米管材料。
49.对比例与实施例的电芯结构的循环次数试验数据如图4所示。从图4的试验结果可以看出，对比例中的电芯结构在容量衰减至80％soc时的循环次数仅约3500次，而本技术实施例中的电芯结构在容量衰减至80％soc时的循环次数约5300多次，循次数提升1800次以上。足以证明本技术实施例的正极材料采用石墨烯、碳纳米管、导电炭黑复合导电剂模式，且碳纳米管均为大、小直径的多壁碳纳米管混合材料，可进一步提升电极电子导电性能，在保证导电性基础上提升正极压实性能，缩短离子导通距离，降低充放电过程损耗，改善循环性能，延长使用寿命。
50.本技术的正极材料和电芯结构采用高导电、高压实正极材料配比方案，可有效改善正极材料压实特性和导电性能，更有利于改善电极电子传输速率及电流分布均匀性，缩
短离子传输距离，降低产品充放电过程损耗，改善产品循环性能；同时采用陶瓷层涂覆匹配电极相对位置结构优化方案，可有效避免电芯在制备及极端使用过程中短路/燃烧问题，提升产品整体安全性能。
51.以上实施方式仅用以说明本技术的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本技术进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本技术的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本技术技术方案的精神和范围。