[发明专利]一种表面金属氧化物涂层的磷酸铁锂复合电极

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料，特别涉及一种表面金属氧化物涂层的磷酸铁锂复合电极。

背景技术

锂离子电池作为新型能源储存装置，己经在动力和储能领域得到了较多应用，这也对锂离子电池的比容量，稳定与安全性提出了更高要求。磷酸铁锂正极材料(LiFePO₄)，无毒，对环境友好，原材料来源丰富，理论比容量为170mA/g，电压平台为3.5V；而且由于LiFePO₄脱锂后得到的FePO₄具有与其相同的空间群和晶体结构(晶格常数有微小的差别)，体积仅减少6.81％，这不致造成颗粒变形和破碎，颗粒与颗粒、颗粒与导电剂之间的电接触也不会受到破坏；且即使在400℃的高温下，LiFePO₄和FePO₄的结构仍能保持不变，这种特殊的晶体结构使得LiFePO₄具有优良的循环稳定性。因此，磷酸铁锂在混合动力汽车、风力与太阳能发电站配套储能、交通工具与家庭应急备用能源方面已成为研究和生产开发的重点。

LiFePO₄本身电子电导率(1.0×10^-9S/cm)和离子电导率(1.0×10^-14～1.0×10^-11cm²/s)均较低，为了满足其在应用场合中大电流充放电的需求，一般采用一些改性手段来改善磷酸铁锂的性能。针对磷酸铁锂电导率低的问题，常用的改性手法包括加入表面导电化包覆碳或纳米金属粒子、掺杂少量高价金属离子(Mg²⁺，Al³⁺，Ti⁴⁺，Nb⁵⁺和W⁶⁺)、合成具有细小、均匀的晶粒尺寸的产物等方法。掺杂和改性可以明显改善磷酸铁锂的电子电导率，改善材料的高倍率充电性能，但表面包覆工艺一般较为复杂且会使材料的振实密度明显降低，而金属离子的掺杂势必会影响磷酸铁锂本身结构稳定性，进而影响其循环性能；细小颗粒能明显提高电极的离子电导率和电子电导率，但在实际加工过程中由于材料的吸湿性增加、分散困难，提高了工艺加工难度。

发明内容

本发明旨在提供一种表面金属氧化物涂层的磷酸铁锂复合电极，其能够简单有效地改善磷酸铁锂性能又能保证材料循环稳定性。

本发明所述的表面金属氧化物涂层的磷酸铁锂复合电极，包括磷酸铁锂极片和涂层，其中，该涂层由金属氧化物、分散剂和粘结剂涂覆在磷酸铁锂极片的外表面形成，金属氧化物的粒径为50nm～500nm，涂层的厚度为1μm～10μm，涂层的质量占复合电极总质量的0.1～5％。

在本发明中，金属氧化物、分散剂和粘结剂被涂布在磷酸铁锂极片的外表面进行界面修饰，其中，金属氧化物涂层的厚度为1μm～10μm，仅对电极固液相界面处离子传输具有影响，不会阻碍磷酸铁锂极片内部原有的离子和电子导电网络，对电池的充放电性能影响小。同时，金属氧化物可优先与电解液体系中的HF反应，抑制高温下电解液中HF对磷酸铁锂的腐蚀，减少Fe离子的溶解，改善LiFePO₄/电解液界面的稳定性，提升磷酸铁锂复合电极的循环性能。另外，金属氧化物由于具有较低的电子电导率，电池内部温度升高、隔膜热收缩后，可阻隔正、负极直接接触，抑制热失控反应的发生，提高电池的安全性能。

粘结剂与金属氧化物的质量比为1:1.0～3.5。

金属氧化物为氧化铝(Al₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)、二氧化钛、氧化锆、氧化镁(MgO)、二氧化锡中的至少一种。

分散剂为聚乙二醇(PEG)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酰胺(PAM)和聚乙烯醇中的至少一种。

粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠(CMC)和丁苯橡胶(SBR)中的至少一种。

本发明所述的磷酸铁锂复合电极的制备方法，包括如下步骤：S1，提供磷酸铁锂极片；S2，将金属氧化物和粘结剂通过分散剂均匀地分散在溶剂中形成浆料；S3，将所述浆料涂覆在磷酸铁锂极片的外表面后烘干，得到所述磷酸铁锂复合电极。

所述步骤S2具体为：将金属氧化物、分散剂按照10～20:1的质量比加入到溶剂中，行星球磨机以200～400rpm的转速搅拌2～24h；加入粘结剂后再以300～600rpm的转速搅拌2～24h。

所述步骤S2中的浆料的固含量为5～10％。