[發(fā)明專利]提升高鎳正極循環(huán)穩(wěn)定性的陶瓷纖維隔膜及電池應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110615767.5
• 申請(qǐng)日: 2021-06-02
• 公開（公告）號(hào): CN113422157A
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔣建;李順;劉奕霏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西南大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M50/434
• 分類號(hào): H01M50/434;H01M50/44;H01M50/403;H01M10/052;H01M10/0525;H01M10/058
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明涉及了一種新型功能化無(wú)機(jī)硅酸鋁陶瓷纖維隔膜。該隔膜以耐火粘土為原料，通過(guò)熔融、甩絲等過(guò)程制得，能有效提升高鎳正極（鎳酸鋰LiNiO₂、高鎳三元LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂和LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05）的循環(huán)穩(wěn)定性。當(dāng)運(yùn)用于高鎳鋰離子電池時(shí)，其具備的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)如下：①陶瓷纖維具有出色的阻燃性和機(jī)械韌性，能防止高溫變形和鋰枝晶刺穿；②隔膜中的硅酸鋁能中和電解液中產(chǎn)生的HF，所生成的鋁、硅等成分均勻沉積在高鎳正極顆粒表面，可有效阻礙電解液/電極界面副反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生。該陶瓷纖維隔膜可大幅延長(zhǎng)高鎳正極循環(huán)壽命，所組裝的電池具有更高安全性，具備一定的實(shí)用潛力和商業(yè)前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及提升高鎳正極循環(huán)穩(wěn)定性的陶瓷纖維隔膜及電池應(yīng)用。

背景技術(shù)

發(fā)展高能量密度、長(zhǎng)續(xù)航且高安全性的鋰離子電池為電動(dòng)汽車、大型無(wú)人機(jī)等提供電力保障是一直是電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)研發(fā)的重點(diǎn)。作為鋰離子電池的重要組成部分，正極材料嚴(yán)重影響電池的生產(chǎn)成本及綜合性能。傳統(tǒng)正極材料LiCoO₂面臨價(jià)格昂貴（鈷含量較高）、比能量已達(dá)極限值（~180 Wh/kg）等困境，難以滿足動(dòng)力電池市場(chǎng)發(fā)展的需求。相比較，高鎳正極材料如鎳酸鋰LiNiO₂、高鎳三元LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（NCM811）和高鎳三元LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05（NCA），因?yàn)殒嚭看蠓黾樱捄棵黠@下降，使得電池系統(tǒng)的生產(chǎn)成本下降且具有更高的工作電壓和能量密度（~280 Wh/kg）。因此，高鎳正極被視為新一代動(dòng)力型鋰離子電池中具備實(shí)用前景的電極材料。

然而，高鎳正極材料的應(yīng)用發(fā)展面臨循環(huán)穩(wěn)定性差、安全隱患大等諸多挑戰(zhàn)，這主要是由于：①電解液中殘余的水分子會(huì)與電解液發(fā)生副反應(yīng)生成HF（LiPF₆→LiF+PF₅，PF₅+H₂O→POF₃+2HF）并腐蝕正極顆粒表面區(qū)域，致使材料中鎳等過(guò)渡金屬溶解，正極循環(huán)穩(wěn)定性受影響（參考Converting detrimental HF in electrolytes into a highlyfluorinated interphase on cathodes. J. Mater. Chem. A, 2018）。②由于Ni²⁺（0.69?）和Li⁺（0.76 ?）離子半徑近似， Ni²⁺易遷移至鋰空位，發(fā)生陽(yáng)離子混排現(xiàn)象，導(dǎo)致部分層狀結(jié)構(gòu)不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)榧饩Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)致高鎳正極比容量持續(xù)衰減（參考FacilitatingLithium-Ion Diffusion in Layered Cathode Materials by Introducing Li⁺/Ni²⁺Antisite Defects for High-Rate Li-Ion Batteries. Research, 2019）。③當(dāng)電池處于充滿電狀態(tài)時(shí)，高鎳正極在高溫情況下易發(fā)生分解產(chǎn)生氧氣并與氣化的電解液一起釋放，易引發(fā)電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象，造成極大的安全隱患。