[發明專利]一種復合材料、正極極片及二次電池

在審

• 申請號: 202210009170.0
• 申請日: 2022-01-05
• 公開（公告）號: CN115832219A
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發明（設計）人: 陳祥斌;高凱;來佑磊;黃玉平;史松君
• 申請（專利權）人: 寧德時代新能源科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/136
• 分類號: H01M4/136;H01M4/1397;H01M4/36;H01M4/58;H01M10/0525
• 代理公司: 中國貿促會專利商標事務所有限公司 11038
• 代理人: 閆業超

本申請提供了一種復合材料、正極極片及二次電池，特別涉及一種復合材料，其為具有核殼結構的球形顆粒，所述球形顆粒的核包含硅酸鐵鋰，所述球形顆粒的殼層包含磷酸鐵鋰，在所述核和殼層之間包含碳。

技術領域

本申請涉及電池技術領域，尤其涉及一種復合材料、正極極片、二次電池、電池模塊、電池包和用電裝置。

背景技術

能源資源的枯竭導致新能源存儲設備的重大發展。二次電池具有高能量密度、高容量、良好的循環穩定性和環保特性，因而備受關注。磷酸鐵鋰正極材料由于相對低廉的價格、環境友好、安全性高等優點，成為目前主流的正極材料。磷酸鐵鋰正極材料的結構決定了其在充放電過程中發生的是磷酸鐵鋰到磷酸鐵的兩相轉變，這導致其放電曲線有長平臺，電池電壓與剩余電量(State Of Charge，簡稱SOC)呈非線性關系，難以通過電壓來估算剩余電量，給電池管理系統準確測算電池的SOC帶來困難。

發明內容

目前改善磷酸鐵鋰電池SOC精度的主流方法為摻混其他正極材料來縮短電壓平臺，所選的正極材料需要與磷酸鐵鋰電壓區間差異不大，最好電壓與SOC呈線性關系。硅酸鐵鋰具有原料資源豐富、價格便宜、無吸濕性、無毒、環境友好、熱穩定性好等優點，也是二次電池正極材料的研發熱點。其中，硅酸鐵鋰材料的工作電壓區間為2.0V～3.7V，與磷酸鐵鋰相吻合，并且充放電曲線斜坡化程度非常高，電壓平臺為2.8V左右，磷酸鐵鋰材料電電壓平臺在3.2V左右，二者混用可形成雙平臺，提高磷酸鐵鋰的BMS估算SOC精度。

目前磷酸鐵鋰摻混硅酸鐵鋰的方法主要有兩種：物理混合和構建復合結構。物理混合是在制備正極漿料時將兩種正極材料按一定比例混合，但二者的電子電導率相差太大，磷酸鐵鋰為10^-9S/cm，硅酸鐵鋰為10^-14S/cm，導致二者在充放電過程中因電子傳輸能力差異過大而引起大的電化學極化和濃差極化。復合結構則將二者的納米顆粒復合成大顆粒，但該工藝除了存在極化過大問題外，還存在充放電過程中體積變化不一致的問題。充放電過程中，磷酸鐵鋰體積變化小，而硅酸鐵鋰體積變化超過2％，體積膨脹收縮不一致會導致復合顆粒開裂，進而暴露新鮮界面與電解液發生副反應，最終導致顆粒粉化失效。

為了解決以上技術問題，本申請提供了一種復合材料，其以硅酸鐵鋰為核，磷酸鐵鋰為殼層，二者中間為碳層。所述復合材料可作為二次電池的正極活性材料，其充放電曲線具有雙平臺，可以解決磷酸鐵鋰電壓平臺過長，BMS估算SOC精度低的問題。特別地，所述復合材料以高電子電導率的磷酸鐵鋰為殼，增加界面電子傳輸，并且在殼層與核間有一碳層，除了提高硅酸鐵鋰與磷酸鐵鋰間電子傳導外，還為硅酸鐵鋰體積膨脹收縮提供緩沖空間，從而解決了硅酸鐵鋰與磷酸鐵鋰體積膨脹收縮不一致導致復合顆粒開裂的問題。

為了達到上述目的，本申請提供了一種復合材料及其制備方法，還提供了一種正極極片、二次電池、電池模塊、電池包和用電裝置。

本申請的第一方面提供了一種復合材料，其為具有核殼結構的球形顆粒，所述球形顆粒的核包含硅酸鐵鋰，所述球形顆粒的殼層包含磷酸鐵鋰，在所述核和殼層之間包含碳層。

在一些實施方案中，所述球形顆粒以D50表示的粒徑為3μm～15μm。

在一些實施方案中，所述硅酸鐵鋰和磷酸鐵鋰各自為具有單晶結構的顆粒。

在一些實施方案中，所述硅酸鐵鋰以D50表示的粒徑為2μm～6μm。

在一些實施方案中，所述磷酸鐵鋰以D50表示的粒徑為0.1μm～0.5μm。

在一些實施方案中，所述磷酸鐵鋰與硅酸鐵鋰的摩爾比為1:0.1～1:1。

本申請的第二方面提供了一種制備復合材料的方法，包括以下步驟：

步驟1：將硅酸鐵鋰顆粒、硅油A和有機溶劑進行混合得到混合物a，其中，所述硅油A為含有至少兩個硅氫鍵的聚硅氧烷；