水性高镍正极浆料、锂离子电池正极及其制备方法、锂离子电池和供电设备与流程

1.本技术涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种水性高镍正极浆料、锂离子电池正极及其制备方法、锂离子电池和供电设备。


背景技术：

2.锂电池的发展经历了由锂金属电池向锂离子电池的转变，即从不可充电的一次电池向可充电的二次电池延伸。锂离子电池下游应用发展体现为3c锂离子电池随着消费类电子产品增速放缓而进入平台期，动力锂离子电池随着新能源汽车的迅猛发展而进入发展期，储能锂离子电池依旧发展缓慢。因此研究主要研究动力锂离子电池的工作原理、主要性能指标、环境效益及其对环境的影响。
3.动力锂离子电池在锂电池众多细分种类的应用中占据着较为重要的地位。锂离子电池下游新能源汽车行业的迅猛发展带动动力锂离子电池行业的快速发展。
4.目前高容量、高比容量的高端高镍材料电池在高性能和低成本之间的应用方面存在一定的断层，制约着行业内的发展。
5.如何制造出高性能兼顾低成本的电池已经迫在眉睫，急需进行攻关克服解决。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供一种水性高镍正极浆料、锂离子电池正极及其制备方法、锂离子电池和供电设备，以解决上述问题。
7.为实现以上目的，本技术采用以下技术方案：
8.一种水性高镍正极浆料，其原料以质量百分比计算，包括：
9.高镍正极材料90％
‑
95％、粘结剂1％
‑
5％、导电剂1％
‑
3％和稳定调整剂0.1％
‑
5％；
10.所述稳定调整剂包括羧酸、磺酸、盐酸和氨基磺酸中的一种或多种。
11.优选地，所述高镍正极材料包括622镍钴锰、811镍钴锰和901镍锰中的一种或多种；
12.优选地，所述粘结剂包括聚烯烃、聚丙烯酸、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯
‑
共
‑
六氟丙烯、聚四氟乙烯、丙烯酸和丁苯橡胶中的一种或多种；
13.优选地，所述导电剂包括水性碳纳米管、导电石墨、乙炔黑和石墨烯中的一种或多种。
14.优选地，所述水性高镍正极浆料的溶剂包括水。
15.本技术还提供一种所述的水性高镍正极浆料的制备方法，包括：
16.将包括所述原料和溶剂在内的物料混合，得到所述水性高镍正极浆料。
17.优选地，所述混合采用真空搅拌方式进行；
18.优选地，所述真空搅拌的自转速度为500r/min
‑
3000r/min，公转速度为10r/min
‑
45r/min，时间为10h
‑
17h。
19.本技术还提供一种锂离子电池正极，包括极板以及设置在所述极板上的正极材料，所述正极材料包括所述的水性高镍正极浆料；
20.优选地，所述极板包括铝箔。
21.本技术还提供一种所述的锂离子电池正极的制备方法，包括：
22.将所述水性高镍正极浆料涂覆在所述极板表面，然后进行辊压、干燥得到所述锂离子电池正极。
23.优选地，所述涂覆的单面面密度为18mg/cm2‑
25mg/cm2；
24.优选地，所述辊压的最终压实密度为3.4g/cm3‑
3.6g/cm3；
25.优选地，所述干燥的温度为90℃
‑
150℃。
26.本技术还提供一种锂离子电池，包括所述的锂离子电池正极。
27.本技术还提供一种供电设备，包括所述的锂离子电池。
28.与现有技术相比，本技术的有益效果包括：
29.本技术提供的水性高镍正极浆料，采用适合水性材料体系的粘结剂和导电剂，以水作为溶剂可以大大降低对应成本约50％；适配水性正极材料的需求，采用高镍正极材料；采用稳定调整剂调整抑制水性工艺体系浆料的不稳定和劣化，减少高镍材料与空气中水分接触吸水后引起的浆料变化，保证浆料、极片质量和电池性能；水性高镍正极浆料在低成本和高性能两个方面均能够兼顾满足。
30.本技术提供的水性高镍正极浆料的制备方法和锂离子电池正极的制备方法，工艺简单，成本低。
31.本技术提供的锂离子电池正极、锂离子电池和供电设备，成本低、质量稳定，性能好。
附图说明
32.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对本技术范围的限定。
33.图1为实施例1得到的锂离子电池的充放电曲线；
34.图2为实施例1得到的锂离子电池的循环性能曲线；
35.图3为实施例1得到的锂离子电池的低温放电曲线；
36.图4为实施例1得到的锂离子电池的倍率曲线；
37.图5为对比例1得到的锂离子电池的循环性能曲线；
38.图6为对比例2得到的锂离子电池的循环性能曲线；
39.图7为对比例3得到的锂离子电池的循环性能曲线。
具体实施方式
40.如本文所用之术语：
[0041]“由
……
制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、
制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
[0042]
连接词“由
……
组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由
……
组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
[0043]
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
[0044]
在这些实施例中，除非另有指明，所述的份和百分比均按质量计。
[0045]“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位，1份可表示任意的单位质量，如可以表示为1g，也可表示2.689g等。假如我们说a组分的质量份为a份，b组分的质量份为b份，则表示a组分的质量和b组分的质量之比a：b。或者，表示a组分的质量为ak，b组分的质量为bk(k为任意数，表示倍数因子)。不可误解的是，与质量份数不同的是，所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。
[0046]“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，a和/或b包括(a和b)和(a或b)。
[0047]
一种水性高镍正极浆料，其原料以质量百分比计算，包括：
[0048]
高镍正极材料90％
‑
95％、粘结剂1％
‑
5％、导电剂1％
‑
3％和稳定调整剂0.1％
‑
5％；
[0049]
所述稳定调整剂包括羧酸、磺酸、盐酸和氨基磺酸中的一种或多种。
[0050]
可选的，水性高镍正极浆料的原料中，高镍正极材料的含量可以为90％、91％、92％、93％、94％、95％或者90％
‑
95％之间的任一值，粘结剂的含量可以为1％、2％、3％、4％、5％或者1％
‑
5％之间的任一值，导电剂的含量可以为1％、2％、3％或者1％
‑
3％之间的任一值，稳定调整剂的含量可以为0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％或者0.1％
‑
5％之间的任一值。
[0051]
在一个可选的实施方式中，所述高镍正极材料包括622镍钴锰(ncm)、811镍钴锰(ncm)和901镍锰中的一种或多种；
[0052]
在一个可选的实施方式中，所述粘结剂包括聚烯烃、聚丙烯酸、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯
‑
共
‑
六氟丙烯、聚四氟乙烯、丙烯酸和丁苯橡胶中的一种或多种。
[0053]
在一个可选的实施方式中，所述导电剂包括水性碳纳米管、导电石墨、乙炔黑和石墨烯中的一种或多种。
[0054]
在一个可选的实施方式中，所述水性高镍正极浆料的溶剂包括水。
[0055]
本技术还提供一种所述的水性高镍正极浆料的制备方法，包括：
[0056]
将包括所述原料和溶剂在内的物料混合，得到所述水性高镍正极浆料。
[0057]
在一个可选的实施方式中，所述混合采用真空搅拌方式进行；
[0058]
在一个可选的实施方式中，所述真空搅拌的自转速度为500r/min
‑
3000r/min，公转速度为10r/min
‑
45r/min，时间为10h
‑
17h。
[0059]
充分的搅拌时间和搅拌转速有助于用以制备出稳定和分散均匀的浆料。
[0060]
可选的，所述真空搅拌的自转速度可以为500r/min、1000r/min、1500r/min、2000r/min、2500r/min、3000r/min或者500r/min
‑
3000r/min之间的任一值，公转速度可以为10r/min、15r/min、20r/min、25r/min、30r/min、35r/min、40r/min、45r/min或者10r/min
‑
45r/min之间的任一值，时间可以为10h、12h、14h、16h、17h或者10h
‑
17h之间的任一值。
[0061]
本技术还提供一种锂离子电池正极，包括极板以及设置在所述极板上的正极材料，所述正极材料包括所述的水性高镍正极浆料；
[0062]
在一个可选的实施方式中，所述极板包括铝箔。
[0063]
本技术还提供一种所述的锂离子电池正极的制备方法，包括：
[0064]
将所述水性高镍正极浆料涂覆在所述极板表面，然后进行辊压、干燥得到所述锂离子电池正极。
[0065]
在一个可选的实施方式中，所述涂覆的单面面密度为18mg/cm2‑
25mg/cm2；
[0066]
单面面密度的控制是为了保证涂布出的极片可以满足不同倍率和不同容量的需求，可以根据不同的面密度满足不同的产品设计需求。
[0067]
可选的，所述涂覆的单面面密度可以为18mg/cm2、19mg/cm2、20mg/cm2、21mg/cm2、22mg/cm2、23mg/cm2、24mg/cm2、25mg/cm2或者18mg/cm2‑
25mg/cm2。
[0068]
在一个可选的实施方式中，所述辊压的最终压实密度为3.4g/cm3‑
3.6g/cm3；
[0069]
根据不同材料的压实密度，设计对应的极片压实密度。
[0070]
可选的，所述辊压的最终压实密度可以为3.4g/cm3、3.5g/cm3、3.6g/cm3或者3.4g/cm3‑
3.6g/cm3之间的任一值。
[0071]
在一个可选的实施方式中，所述干燥的温度为90℃
‑
150℃。
[0072]
根据材料的类型，配置浆料的固含量差异，采用不同的烘烤干燥温度，到达干燥的目的。
[0073]
可选的，所述干燥的温度可以为90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃或者90℃
‑
150℃之间的任一值。
[0074]
本技术还提供一种锂离子电池，包括所述的锂离子电池正极。
[0075]
本技术还提供一种供电设备，包括所述的锂离子电池。
[0076]
此处的供电设备是指以上述锂离子电池作为电源为自身或者其它设备提供电能的设备。
[0077]
下面将结合具体实施例对本技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本技术，而不应视为限制本技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0078]
实施例1
[0079]
先在真空搅拌机中加入去离子水(加入量为正极浆料中除水之外各原料的总质量的65％)，然后按照聚丙烯酸3％、导电石墨2％、水性碳纳米管2％、稳定调整剂羧酸1％和高
镍811材料92％的重量比，依次加入聚丙烯酸、导电石墨、水性碳纳米管、稳定调整剂和高镍811材料，搅拌的自转和公转速度分别为1800r/min和35r/min，搅拌15h后制出水性高镍正极浆料。
[0080]
再以单面面密度为20mg/cm2涂覆在铝箔表面，然后将前述铝箔置于烘箱中，在温度120℃的条件下烘干，再以压实密度为3.5g/cm3辊压制得所需的高镍材料正极片。
[0081]
然后再依据普通正常工序进行制作负极极片、制作锂离子电池工序。
[0082]
实施例2
[0083]
先在真空搅拌机中加入去离子水(加入量为正极浆料中除水之外各原料的总质量的70％)，然后按照丁苯橡胶2％、导电石墨2％、水性碳纳米管2％、稳定调整剂磺酸2％和高镍622材料92％的重量百分比，依次加入丁苯橡胶、导电石墨、水性碳纳米管、稳定调整剂和高镍622材料，搅拌的自转和公转速度分别为1800r/min和35r/min，搅拌15h后制出水性高镍正极浆料。
[0084]
以单面面密度为18mg/cm2涂覆在铝箔表面，然后将前述铝箔置于烘箱中，在温度120℃的条件下烘干，再以压实密度为3.4g/cm3辊压制得所需的高镍材料正极片。
[0085]
然后再依据正常工序进行制作负极极片、制作锂离子电池工序。
[0086]
实施例3
[0087]
先在真空搅拌机中加入去离子水(加入量为正极浆料中除水之外各原料的总质量的68％)，然后依次加入聚偏二氟乙烯3％、导电石墨1％、水性碳纳米管3％、稳定调整剂盐酸1％和高镍811材料92％的重量百分比，依次加入聚偏二氟乙烯、导电石墨、水性碳纳米管、稳定调整剂和高镍811材料，搅拌的自转和公转速度分别为1800r/min和35r/min，搅拌15h后制出水性高镍正极浆料。
[0088]
再以单面面密度为22mg/cm2涂覆在铝箔表面，然后将前述铝箔置于烘箱中，在温度120℃的条件下烘干，再以压实密度为3.5g/cm3辊压制得所需的高镍材料正极片。
[0089]
然后再依据正常工序进行制作负极极片、制作锂离子电池工序。
[0090]
实施例4
[0091]
先在真空搅拌机中加入一定量的去离子水，然后按照聚偏二氟乙烯2％、乙炔黑2％、稳定调整剂氨基磺酸4％和901镍锰材料92％的重量百分比，依次加入聚偏二氟乙烯、乙炔黑、稳定调整剂氨基磺酸和901镍锰材料，搅拌的自转和公转速度分别为2000r/min和45r/min，搅拌10h后制出水性高镍正极浆料。
[0092]
以单面面密度为25mg/cm2涂覆在铝箔表面，然后将前述铝箔置于烘箱中，在温度150℃的条件下烘干，再以压实密度为3.6g/cm3辊压制得所需的高镍材料正极片。
[0093]
然后再依据正常工序进行制作负极极片、制作锂离子电池工序。
[0094]
图1为实施例1得到的锂离子电池的充放电曲线，图2为实施例1得到的锂离子电池的循环性能曲线，图3为实施例1得到的锂离子电池的低温放电曲线，图4为实施例1得到的锂离子电池的倍率曲线。
[0095]
由图1至图4可知，本技术提供的锂离子电池具有结构稳定性，大大提高了锂离子电池综合性能，其中循环寿命1c充电1c放电循环2000次容量保持率在98％，低温放电
‑
20度容量保持率在67％，倍率放电1c放电容量保持率在95％，3c放电容量保持率在89％，5c放电容量保持率在83％。
[0096]
对比例1
[0097]
与实施例1不同的是，不使用稳定调整剂。
[0098]
图5为对比例1得到的锂离子电池的循环性能曲线。
[0099]
由图2和图5对比可知，使用稳定调整剂可有效提升锂离子电池的循环性能。
[0100]
对比例2
[0101]
与实施例1不同的是，使用草酸作为稳定调整剂。
[0102]
图6为对比例2得到的锂离子电池的循环性能曲线。
[0103]
对比例3
[0104]
与实施例1不同的是，使用硫磺酸(以硫磺作为原料生产出来的硫酸)作为稳定调整剂。
[0105]
图7为对比例3得到的锂离子电池的循环性能曲线。
[0106]
由图2和图6、图7对比可知，使用羧酸作为稳定调整剂比使用草酸和硫磺酸对电池的循环性能提升大。
[0107]
从成本上来讲，因为本发明采用的是去离子水做为溶剂，不使用传统的nmp(n
‑
甲基吡咯烷酮)，可以降低材料成本约5％
‑
10％，同时性能不受影响，具有可观的经济效益。
[0108]
依据本发明制作的锂离子电池具有结构稳定性、大大提高了锂离子电池循环寿命、低温放电、倍率放电、安全等性能，同现有目前的技术相比，正极采用去离子水、纯净水的一种或一种以上做为溶剂，优化适合水性材料体系的粘结剂和导电剂，适配水性正极材料需求，采用高镍材料622镍钴锰(ncm)、811镍钴锰(ncm)、901(镍锰)一种或者一种以上进行混合，采用稳定调整剂抑制水性工艺体系浆料的不稳定和劣化，保证浆料质量和电池性能，因为采用水作为溶剂，匹配水性粘结剂和导电剂，可以大大降低对应成本约50％。低成本和高性能两个方面均能够兼顾满足。
[0109]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。
[0110]
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本技术的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本技术的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。