[發(fā)明專利]鋰電池材料及其制備方法和鋰電池

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510725764.1
• 申請日: 2015-10-30
• 公開（公告）號: CN105244507A
• 公開（公告）日: 2016-01-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳麗姣;傅麗;周晶;房慶圓
• 申請（專利權(quán)）人: 山東理工職業(yè)學院
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/131;H01M10/0525
• 代理公司: 濟寧宏科利信專利代理事務所 37217
• 代理人: 樊嵩

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學領(lǐng)域；具體涉及一種鋰電池材料及其制備方法，以及由上述材料制成的鋰電池。

背景技術(shù)

近年來，由于環(huán)境污染和能源匱乏，各國都在努力尋找新的綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展的能源。鋰電池是迄今為止通用性最強、適應性最廣的二次電池，廣泛應用于消費電子產(chǎn)品、電動汽車和醫(yī)療電子器械中。鋰電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、工作電壓高等優(yōu)點。

鋰電池包括負極和正極，負極和正極之間是微孔聚合物隔膜；三者浸泡在適合鋰離子遷移的電解質(zhì)溶液中。鋰離子可逆地在負極和正極之間遷移。負極和正極各自連接在相應的集流器上。集流器通過可中斷的外部電路連接，該電路使電流在電極之間通過，從而電平衡鋰離子的遷移。然而，研究發(fā)現(xiàn)，當使用錳酸鋰作為正極活性物質(zhì)時，錳酸鋰溶解產(chǎn)生Mn⁺²、Mn⁺³或Mn⁺⁴。其中，Mn⁺²陽離子可以遷移通過電解質(zhì)，沉積到負極上。當沉積到負極上后，Mn⁺²陽離子變成Mn金屬。這種情況導致負極活性降低，并且降低了鋰電池的循環(huán)性能，從而影響鋰電池的使用壽命。因此，迫切需要提供一種改善鋰電池的循環(huán)性能以及使用壽命的鋰電池材料及其制備方法，以及由上述材料制成的鋰電池。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種新的鋰電池材料，既能保持較高的能量密度，又能顯著改善鋰電池的循環(huán)性能以及使用壽命。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種鋰電池材料，包括錳酸鋰、炭黑和粘合劑，其特征在于，所述粘合劑由聚蘋果酸和EGTA通過化學反應得到。

錳酸鋰為尖晶石型錳酸鋰Li_xMn₂O₄，Mn元素包括三種價態(tài)，分別為Mn⁺²、Mn⁺³或Mn⁺⁴。這種材料具有三維隧道式的鋰嵌入和脫出通道。其中，在錳酸鋰的尖晶石型晶格中，任意O原子可被其它陰離子例如F取代，從而穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)。基于鋰電池材料的總質(zhì)量，所述錳酸鋰的含量為80-95wt%，優(yōu)選為85-95wt%，最優(yōu)選為90-95wt%。

炭黑可以具有任意的BET比表面積，優(yōu)選50-2000m²/g，進一步優(yōu)選800-2000m²/g，最優(yōu)選1200-2000m²/g。在一個具體的實施方式中，炭黑是日本炭黑，它能夠增加電化學反應面積，減少電化學阻抗，非常有利于在鋰離子電池的集流器和正極之間形成良好的電子傳導。基于鋰電池材料的總質(zhì)量，所述炭黑的含量為1-10wt%，優(yōu)選為1-8wt%，最優(yōu)選為1-5wt%。

粘合劑由聚蘋果酸和EGTA通過化學反應得到。所述化學反應為借助合適的連接基，由EGTA對聚蘋果酸進行官能化，從而形成粘合劑。所述連接基為酯、酰胺、醚或異氰酸酯，優(yōu)選為酰胺或異氰酸酯，最優(yōu)選為異氰酸酯。在一個具體的實施方式中，異氰酸酯可以是六亞甲基二異氰酸酯、甲苯二異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯、二苯甲烷二異氰酸酯，等等。異氰酸酯作為媒介基團，將EGTA結(jié)構(gòu)性地結(jié)合在聚蘋果酸上。這種化學反應是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，即EGTA上部分羧基與二異氰酸酯反應得到單異氰酸酯中間體，后者再與聚蘋果酸高分子上的羥基或羧基發(fā)生化學反應，從而得到化學改性的粘合劑。基于鋰電池材料的總質(zhì)量，所述粘合劑的含量為1-10wt%，優(yōu)選為2-8wt%，最優(yōu)選為2-6wt%。

聚蘋果酸采用開環(huán)聚合法得到，分子量可以為1萬至20萬，優(yōu)選為2萬至15萬，進一步優(yōu)選為3萬至10萬。

我們發(fā)現(xiàn)，粘合劑上的EGTA結(jié)構(gòu)單元可以選擇性地與Mn⁺²、Mn⁺³或Mn⁺⁴絡(luò)合，從而錨定正極上溶出的上述過渡金屬離子，阻止其遷移穿過電解質(zhì)溶液并且移向負極；同時，由于EGTA結(jié)構(gòu)單元對鋰離子的絡(luò)合能力較弱，相對Mn離子而言可以忽略不計，因此確保了電池工作期間鋰離子穿過微孔聚合物隔膜的運動不受影響。綜上所述，這種粘合劑的使用導致本發(fā)明的鋰電池改善了循環(huán)性能和使用壽命。

另一方面，本發(fā)明還提供了一種制備上述鋰電池材料的方法，包括如下步驟：由聚蘋果酸和EGTA通過化學反應得到粘合劑；將粘合劑與錳酸鋰、炭黑混合。

又一方面，本發(fā)明進一步提供了一種鋰電池電極和一種鋰電池，其特征在于，所述電極由上述鋰電池材料制成；所述鋰電池包括上述的鋰電池電極。