[发明专利]高容量电极复合层、碱金属二次电池正极、电池及其制备方法

说明书

本发明提出一种高容量电极复合层、碱金属二次电池正极、电池及其制备方法。所述正极包括依次复合的集流体层、电极层I、电极层II、电极层III，该结构正极的孔隙从电极向集流体的方向呈递减趋势，能确保电解液充分浸润电极内各有效组分，最大程度发挥正极材料的容量，提高电池的能量密度；导电剂从集流体向电极方向呈逐渐递减趋势的结构，有利于电子从电极与电解液界面向集流体方向的快速传导，从而有效降低电极内部的欧姆极化，提高电池的倍率性能。本发明提出的三层结构正极特别适用于涂层厚度不低于150μm的高容量碱金属二次电池。

技术领域

本发明属于电化学储能电池技术领域，特别涉及高容量电极复合层、碱金属二次电池正极、电池及其制备方法。

背景技术

在日益增加的化石能源消耗、雾霾、温室效应等环境问题日益突出的国际环境下，提高能源利用率、发展新能源，规模储能已经迫在眉睫。在当前研发的锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池以及锌离子电池等各种储能器件中，正极活性物质以及正极结构直接影响各类储能器件的性能，包括倍率性能、稳定性和能量密度。其中，能量密度是衡量某种储能器件的一个关键指标，该指标与储能器件的电池容量、放电平台成正比关系，与质量或体积成反比关系。在目前研究的各种储能器件中，由于负极活性物质通常为碳材料，其理论比容量高(250mAh g-1)，用量较少，负极在电池中的质量分数通常低于25％；而常用正极活性物质的理论比容量则远低于负极，从而导致正极活性物质用量较多，正极质量占电池的35％(三分之一)以上。在储能器件中，电池的能量密度与正极活性物质的用量呈正比关系。理论上，当正负极的容量匹配合适的条件下，正极活性物质用量(面密度)越多，电池的能量密度越高。然而，正极面密度的提高，对电解液的需求量也随之增加。

此外，电极的孔隙率对电解液的用量具有重要影响，对于单一孔隙率的正极而言，当电极厚度超过150μm后，电解液对电极的浸润性会快速下降，从而导致位于深层的活性物质无法与电解液接触而表现出“惰性”。在充分浸润电极活性物质的前提下，通过增加涂层孔隙率的方法可以缓解上述问题，但随之带来的电解液用量的增加又不利于提高整体储能器件的能量密度。

发明内容

本发明提出了一种高容量碱金属二次电池用正极结构，在该结构中，正极涂层的孔隙呈梯度分布，即从集流体至表层方向，孔隙率依次递增。该结构有利于电解液充分浸润正极，最大程度发挥正极材料的有效容量；同时促进电流的快速传导，降低欧姆极化，从而获得优异的倍率性能。

本发明的技术方案一方面提供一种电极复合层，所述电极复合层包括依次复合的电极层I(紧密层)、电极层II(过渡层)、电极层III(疏松层)；所述电极层I由电极材料I构成，所述电极材料I包括电极活性物质I、导电剂I和粘结剂；所述电极层II由电极材料II构成，所述电极材料II包括电极活性物质I、电极活性物质III、导电剂II和粘结剂；所述电极层III由电极材料III构成，所述电极材料III包括电极活性物质III、导电剂III和粘结剂；所述电极活性物质I的粒径＜电极活性物质III的粒径；所述的电极层I的厚度＜电极层II的厚度＜电极层III的厚度；所述的电极层I的孔隙率＜电极层II的孔隙率＜电极层III的孔隙率；所述的电极材料I中导电剂I的含量＞电极材料II中导电剂II的含量＞电极材料III中导电剂III的含量。

常用的粘结剂有聚偏氟乙烯(PVDF)等。

可选地，所述电极活性物质I的粒径为3～5μm，电极活性物质I的粒径的下限任优选自3μm、4μm，上限任选自4μm、5μm；所述电极活性物质III的粒径为30～50μm，所述电极活性物质III的粒径的下限任选自30μm、40μm，上限任选自40μm、50μm。

可选地，所述电极材料II中，电极活性物质III与电极活性物质I的质量比为(1～3):(4～10)，所述电极活性物质III与电极活性物质I的质量比的下限任选自1:10、1:4、2:7、1:3、3:8、2:5；上限任选自1:4、2:7、1:3、3:8、2:5、3:4。