[發明專利]正極材料結構及其制備方法

無效

• 申請號: 201010623176.4
• 申請日: 2010-12-29
• 公開（公告）號: CN102544436A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 王宗雄;潘金平;張中良;林瑜玲
• 申請（專利權）人: 財團法人工業技術研究院
• 主分類號: H01M4/13
• 分類號: H01M4/13;H01M4/62;H01M4/139
• 代理公司: 北京律誠同業知識產權代理有限公司 11006
• 代理人: 祁建國;鮑俊萍

技術領域

本發明涉及鋰電池，特別涉及其中的正極材料的結構及制備方法。

背景技術

現今可攜式電子產品如數字相機、手機、筆電都需要輕量化的電池。各式電池中，可重復充電的鋰電池的單位重量提供的電量比傳統的鉛蓄電池、鎳氫電池、鎳鋅電池、鎳鎘電池等高三倍，且可快速充電，故已廣為使用。

圖1為現有鋰電池結構的示意圖。此結構含正極100、負極110，以及二者之間的電解質120與分隔板130。正極100包括正極金屬片102與正極材料104，此正極材料104的顆粒借助摻有導電材料的粘合劑(binder)106固定披覆于正極金屬片102上。負極110包括負極金屬片112與其上的負極材料114。

鋰電池的正極材料一般為鋰與其它金屬的氧化物，需克服的問題如下。首先，內部短路引發高熱時，正極材料的結晶結構會被破壞而裂解，甚至釋出氧氣而與有機電解液反應，造成燃燒甚至爆炸的嚴重后果。現階段的解決方案是選用熱、化學穩定性高的電極材料(如混摻或使用錳酸鋰、磷酸鋰鐵、鎳鈷錳酸鋰三元系、鈦酸鋰系等)，使其結晶結構不易被破壞，也不會產生氧氣，而可提高安全性；但如此往往會犧牲電容量、功率密度或工作電壓等。

另外，固態電解質接口(SEI)膜的持續長成會使內阻值和不可逆率上升，導致電容量、功率密度、循環壽命、工作電壓和充放電效能等的快速減降。

另外，耐過充和耐過放電能力也需提升。亦即，在過充或過放電作業與運作中，電極材料須不易產生明顯的膨脹、伸長和收縮，且能避免發生部分的分解和鋰成份在負極沉積的現象。

另外，現行正極材料的內阻大，故高功率輸出時比能量下降快。正極材料結構的機械性能與韌性也需強化，以免受到外部擠壓而破裂或損傷，引發負面效應，尤其需避免活性物質脫落直接導通而造成內短路的現象。正極材料的電化學穩定性也很重要，因其不能溶于電解液中，且需具有穩定的氧化還原反應。

又在高低溫運用的環境條件下，正極材料的不可逆率漸增，電池性能隨之衰減。提高電池的充電終止電壓雖可增加電池的放電容量(比能量)，但如此會減縮電池的壽命。

發明內容

本發明提供一種正極材料結構以及其制備方法。

本發明的正極材料結構包括材料主體及披覆于其表面上的復合膜層，其中材料主體具有0.1～50μm的粒徑，且復合膜層具有多孔結構與導電機能。

在一實施例中，上述復合膜層具有一網狀結構。

在一實施例中，上述復合膜層包括一高分歧寡/聚合物，以及摻于該高分歧寡/聚合物中的一納米導電材料。在此需特別說明的是，本說明書中所謂的“高分歧寡/聚合物”的范圍涵蓋高分歧寡合物(hyper?branched?oligomers)、高分歧聚合物(hyper?branched?polymers)，以及高分歧寡合物與高分歧聚合物的混合物。

上述納米導電材料可選自碳質材料、無機導電材料、有機導電材料，以及其組合。其中，碳質材料可選自碳黑、石墨、乙炔黑，以及其組合；無機導電材料選自鎳粉、鋁粉、鈦粉、不銹鋼粉，以及其組合；有機導電材料包括有機導電高分子。

上述高分歧寡/聚合物例如為骨架含氮的高分子。此骨架含氮的高分子可由選自胺、酰胺、酰亞胺及馬來酰亞胺類化合物的至少一者與具二酮基的化合物聚合而得。其中具二酮基的化合物可選自巴比土酸及其衍生物、乙酰丙酮類化合物，以及其組合。

在一實施例中，上述材料主體的材質選自Li-M-O系及Li-N-X-O系材料，其中M選自鎳、鈷、錳、鎂、鈦、鋁、錫、鉻、釩及鉬，N選自鐵、鎳、鈷、錳、釩及鉬，且X選自磷、硅。

在一實施例中，上述復合膜層也具有粘合劑的機能。

在一實施例中，上述復合膜層厚度可為1nm～10μm。

本發明的正極材料制備方法包括：提供一材料主體，其具有0.1～50μm的粒徑；并于材料主體的表面上披覆一復合膜層，此復合膜層具有多孔結構與導電機能。

在一實施例中，此復合膜層具有一網狀結構。此復合膜層可包括一高分歧寡/聚合物，以及摻于該高分歧寡/聚合物中的一納米導電材料。

在一實施例中，上述于材料主體的表面上披覆復合膜層的步驟包括：將材料主體含浸于含有該高分歧寡/聚合物與該納米導電材料的溶液中。

在一實施例中，上述于材料主體的表面上披覆復合膜層的步驟包括：將材料主體含浸于含有該高分歧寡/聚合物的前驅物與該納米導電材料的溶液中；并使該前驅物聚合而成高分歧寡/聚合物，同時夾帶該納米導電材料而被覆于材料主體的表面上。