氢氧化铝在提高锂离子电池安全性能方面的应用

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及氢氧化铝在提高锂离子电池安全性能方面的应用。

背景技术

三元体系锂离子电池能量密度高，近年来得到了动力电池厂商的青睐，但是安全性一直是困扰三元体系锂离子电池发展的关键因素，也制约了三元体系锂离子电池的发展。

电池安全的本质是热安全，因此提高三元体系锂离子电池中各种部件的热稳定性尤为重要。现有技术中已有通过降低电解液的可燃性和提高隔膜的高温稳定性能来提高锂离子电池安全性能的相关研究，正极材料是锂离子电池的重要组成部分，因此，如何在保证三元正极材料常规性能情况下，提升其安全性能，仍是相关研发人员需要面对的一个巨大的挑战。

目前提高三元体系锂离子电池安全性的思路主要是提高正极材料的耐高温性能，而非主动避免异常升温或高温情况的发生。例如，已有研究对三元材料进行表面包覆和体相掺杂，能够在一定的程度上提高三元材料的热稳定性，从而改善三元材料安全性。但该种方式效果有限，仍然无法满足锂离子电池对于安全性的需求。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供氢氧化铝在提高锂离子电池安全性能方面的应用，克服三元体系锂离子电池安全性能较差的问题。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供氢氧化铝在提高锂离子电池安全性能方面的应用。

第二方面，本发明提供一种提高电池安全性能的正极材料添加剂，包括氢氧化铝。

第三方面，本发明提供一种高安全性能的正极材料，包括正极活性物质和前述实施方式所述的添加剂。

在可选的实施方式中，所述正极材料中氢氧化铝的质量分数为5％-15％。

在可选的实施方式中，所述氢氧化铝为纳米级的氢氧化铝。

在可选的实施方式中，所述正极活性物质为镍钴锰三元电池材料。

第四方面，本发明提供一种电极，包括集流体和涂布在所述集流体上的正极浆料，所述正极浆料中含有前述实施方式任意一项所述的正极材料。

在可选的实施方式中，所述集流体上正极活性物质的涂布面密度为18mg/cm

第五方面，本发明提供一种电池，包括前述实施方式所述电极。

第六方面，本发明提供一种用电设备，包括前述实施方式所述电池。

本发明具有以下有益效果：

本申请将氢氧化铝用于锂离子电池，能够有效减少电池热失控的发生，从而提高锂离子电池安全性能；氢氧化铝添加至正极材料中，可以有效提高电池的针刺安全性、挤压安全性、过充安全性以及热失控触发温度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例1-3和对比例1中制备电池的针刺测试结果；

图2为本申请实施例1-3和对比例1中制备电池的挤压测试结果；

图3为本申请实施例1-3和对比例1中制备电池的过充测试结果；

图4为本申请实施例1-3和对比例1中制备电池的热稳定性测试结果；

图5为本申请实施例1-3和对比例1中制备电池的倍率性能和循环性能测试结果。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。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。

本申请的一个实施方式提供氢氧化铝在提高锂离子电池安全性能方面的应用。

氢氧化铝是比较常见的金属氢氧化物，已有将氢氧化铝应用于锂离子电池的研究，但是其目的在于减少了三元材料和电解液的副反应，以及改善三元材料的寿命和存储性能，而本申请将氢氧化铝用于锂离子电池，能够有效减少电池热失控的发生，从而提高锂离子电池安全性能。

本申请的另一个实施方式提供一种提高电池安全性能的正极材料添加剂，包括氢氧化铝。

氢氧化铝添加至正极材料中，可以有效提高电池的针刺安全性、挤压安全性、过充安全性以及热失控触发温度。

本申请的另一个实施方式提供一种高安全性能的正极材料，包括正极活性物质和前述实施方式所述的添加剂。

在可选的实施方式中，所述正极材料中氢氧化铝的质量分数为5％-15％。

虽然已有将氢氧化铝应用于锂离子电池正极材料的研究，但是除目的不同外，其在正极材料中的质量分数一般不超过1％，而在此低含量的情况下，氢氧化铝对电池安全性能的提升效果不明显。但是，若氢氧化铝的含量过高，可能会影响正极材料的常规性性能，例如容量等，因此优选地，本申请将正极材料中氢氧化铝的质量分数调整在5％-15％，有效提升电池的安全性能，同时不仅不会影响正极材料的常规性能，还能够提高电池的循环和倍率性能。在可选的实施方式中，所述氢氧化铝为纳米级的氢氧化铝，一方面，纳米级的氢氧化铝能够更好地分散在正极材料中；另一方面，氢氧化铝的粒径过大，会降低正极材料的机械性能。

在可选的实施方式中，所述正极活性物质为镍钴锰三元电池材料，具体的可以为NCM811、NCM712等，镍钴锰三元电池材料安全性能较差，提升其安全性能有着尤为重要的意义。

本申请的另一个实施方式提供一种电极，包括集流体和涂布在所述集流体上的正极浆料，所述正极浆料中含有前述实施方式任意一项所述的正极材料。

本申请中的氢氧化铝直接添加在正极浆料中，然后涂布在集流体上即可，不需要经过煅烧等工序，方便加工。

本实施方式中的集流集流体可以为铝箔，也可以根据需要选择其他材质集流体。

在可选的实施方式中，所述集流集流体上正极活性物质的涂布面密度为18mg/cm

本申请的另一个实施方式提供一种电池，包括前述实施方式所述电极。

本申请的另一个实施方式提供一种用电设备，包括前述实施方式所述电池。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本申请实施例提供一种锂离子电池，包括：

正极：对原料进行搅拌使其各组分分散均匀得到了具有一定粘度和流动性的正极浆液，并将正极浆液均匀地涂布在铝集流体上，铝集流体上NCM523材料涂布面密度为20mg/cm

负极：负极活性物质为石墨，将含有石墨的负极浆液涂布在铜集流体上，铜集流体上石墨的涂布量为11mg/cm

正极活性物质组成如表1所示：

表1实施例和对比例中正极活性物质组成

将上述电极制成规格为5Ah的软包电池，电解液为1mol/L LiPF

对本申请实施例和对比例中制备电池的安全性能进行测试，包括针刺、挤压、过充和热稳定性测试，同时测试了倍率和循环性能。

1、针刺实验

针刺实验是最严苛的锂离子电池安全实验，能够有效的反映锂离子电池的安全性，依据GB/T-38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》对本申请中实施例和对比例中制备的电池进行针刺实验。在安全测试之前，软包电池以0.2C充电到4.2V，以4.2V的恒定电压充电直到电流降至0.02C。在钉穿透试验中，使用一根钢针(长50mm，直径3mm)以25mm/s的速度穿透电池，同时记录细胞的温度和电压，针刺实验的安全标准是在电池穿透过程中无火灾或无爆炸现象。对比例1和实施例1-3中锂离子电池在针刺过程中电压和温度的变化曲线分别如图1a、图1b、图1c、图1d所示。

从图1a中能够看到，对比例1中针刺引起了严重的热失控，针刺的瞬间电池电压降低到0V，电池温度在5s内升高到了450℃。图1b、图1c、图1d中向正极浆液中添加了Al(OH)

2、挤压测试

挤压测试也是检测锂离子电池安全性的重要方法，依据GB/T31485-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》对本申请中实施例和对比例中制备的电池进行挤压测试。在挤压测试之前，软包电池以0.2C充电到4.2V，以4.2V的恒定电压充电直到电流降至0.02C。将其放置两个挤压板之间，逐渐增加压力到13KN，保持压力1min，不起火不爆炸可判为合格。图2a、图2b、图2c、图2d分别展示了对比例1和实施例1-3中锂离子电池在挤压过程中的电压和温度变化。

图2a中可以看出，随着挤压达到一定程度，电池发生内短路，电池电压降低至0V，随后电池温度也快速升高至400℃，电池发生热失控。从图2b、图2c、图2d中可以看到正极中添加Al(OH)

3、过充测试

极端情况下锂离子电池可能发生过充，因此过充安全性也是锂离子电池安全性的重要组成部分。依据GB/T-36276-2022《电力储能用锂离子电池》对本申请中实施例和对比例中制备的电池进行过充测试。将软包电池以1.0C的电流充电至10V，然后以10V的恒定电压充电，直到电流降至0.02C，过充的安全标准无泄漏、无火灾、无爆炸现象。图3a、图3b、图3c、图3d分别展示了对比例1和实施例1-3中锂离子电池在过充过程中的电压和温度变化。

从图3a中可以看到对比例1中锂离子电池在过充开始时温度几乎没有显著的变化，但是在充电到5.0V后电池温升开始加速，当充电容量达到147％SOC时，电池电压突然达到10V，电池温度迅速升高到700℃，电池发生热失控。从图3b、图3c、图3d可以看到添加Al(OH)3后，电池的温升更为缓慢，当电池电压达到10V后，充电电流开始下降，温度开始下降，电池最高温度低于100℃。

4、热稳定性测试

采用ARC设备对电池热稳定性进行了测试，以0.05℃ min

从图4可以看到对比例1制备的锂离子电池在123℃左右开始发生热失控，最高温度达到了585℃；添加5％的Al(OH)

5、倍率性能和循环性能测试

Al(OH)

从图5b中也可以看到在循环性能上添加Al(OH)

对于实施例4，由于纳米氢氧化铝含量过少，使得氢氧化铝无法覆盖在正极表面，起不到抑制热失控过程，针刺、挤压、过充和热稳定性结果与不添加氢氧化铝结果差异不大；根据实施例2和实施例3测试结果，虽然15％Al(OH)

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。