CN102820451A - 负极极片及其制备方法、锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负极极片及其制备方法、锂离子电池及其制备方法，负极极片包括负极集流体，负极集流体的正反面上分别设多个硅碳活性材料，多个硅碳活性材料层相互间分别由第一碳活性材料层隔离；硅碳活性材料层和第一碳活性材料层上设有第二碳活性材料层。本发明的锂离子电池及制备方法、负极极片及制备方法，通过在负极集流体正反面上涂覆相互间隔离的多个硅碳活性材料层，在硅碳活性材料层上，及多个相互隔离的硅碳活性材料层之间涂覆碳活性材料层方式，由于碳活性材料层具有很多微孔结构，因此负极集流体上分割开的硅碳活性材料层在电池充放电过程中，碳活性材料层作为缓冲区域，从而使负极极片的膨胀释放，防止电池结构和性能的一系列劣化。

Description

负极极片及其制备方法、锂离子电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其是涉及一种负极极片及其制备方法、锂离子电池及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有高能量密度、高输出电压、高输出功率等优点，广泛应用于电子、交通、能源等领域。随着新能源行业的发展，高能量密度、高输出功率电池的开发，合金负极因其高容量，高能量密度，优异安全性能而成为新一代高容量负极材料发展的方向。然而，合金材料普遍存在充放电过程中伴随着巨大体积变化，使材料的内应力很大，容易造成电极材料的剥离，膜片的内阻显著增大，同时暴露的材料表面不断形成新的SEI膜，进而导致循环性能差；另外，电池壳体膨胀，变形等问题严重。在电池制造过程中，目前普遍采用的化成工艺，即首次充电过程。上述化成方法使负极材料在首次充电过程中持续体积膨胀累积，极片结构明显破坏，电池结构膨胀显著，性能大幅恶化，甚至还会导致析锂短路等安全问题。因而，控制极片结构的膨胀成为瓶颈。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种负极极片及其制备方法、锂离子电池及其制备方法，大幅减缓负极极片在锂离子电池化成过程中因膨胀而发生变形。

本发明提出一种负极极片；所述负极极片包括负极集流体，所述负极集流体的正反面上分别设置有多个硅碳活性材料层，所述多个硅碳活性材料层相互间分别由第一碳活性材料层隔离；所述硅碳活性材料层和第一碳活性材料层上设有第二碳活性材料层。

优选地，所述硅碳活性材料层和第一碳活性材料层的厚度为10μm-20mm；所述第二碳活性材料层的厚度为2μm-10mm。

优选地，所述硅碳活性材料层按重量100份计包括以下组分：80-97份硅碳活性物质、1-10份导电剂以及2-15份粘结剂；

所述碳活性材料层按重量100份计包括以下组分：80-97份碳活性物质、3-20份粘结剂。

优选地，所述碳活性物质中包含以下组分的一种或多种：碳纳米管、碳纤维、导电碳粉super-P、乙炔黑、石墨烯；

所述粘结剂包括以下组分的一种或多种：自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、丁苯橡胶、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、聚丙烯酸。

本发明另提出一种负极极片的制作方法，包括：

步骤一、提供用于做负极集流体的箔片和硅碳活性材料；

步骤二、将所述硅碳活性材料涂覆于所述箔片的正反面上，使箔片正反面上分别形成多个硅碳活性材料层，且多个硅碳活性材料层相互间存在间隙；

步骤三、待涂覆有硅碳活性材料层的箔片干燥后，在其正反面上分别涂覆碳活性材料，使硅碳活性材料层间的间隙内、以及硅碳活性材料层上覆盖一层碳活性材料层；

步骤四、待涂覆有硅碳活性材料层和碳活性材料层的箔片干燥后，对所述箔片进行辊压、分条，得到锂离子电池负极极片。

优选地，所述负极集流体为糙面铜箔；所述硅碳活性材料层的厚度为10μm-20mm；所述硅碳活性材料层上覆盖的层碳活性材料层的厚度为2μm-10mm。

优选地，所述步骤二具体包括：

在负极集流体的箔片一面上固定一印刷网格筛，将所述硅碳活性材料涂覆于箔片上所述固定有印刷网格筛的一面上，取下所述印刷网格筛；

在负极集流体的箔片另一面上固定一印刷网格筛，将所述硅碳活性材料涂覆于箔片所述另一面上，取下所述印刷网格筛。

优选地，所述印刷网格筛的网孔均匀设置，所述网孔形状为方形、菱形、三角形或梅花形。

本发明另提出一种锂离子电池，包括负极极片；所述负极极片包括负极集流体，所述负极集流体的正反面上分别设置有多个硅碳活性材料层，所述多个硅碳活性材料层相互间分别由第一碳活性材料层隔离；所述硅碳活性材料层和第一碳活性材料层上设有第二碳活性材料层。

优选地，所述负极集流体为糙面铜箔；所述硅碳活性材料层和第一碳活性材料层的厚度为10μm-20mm；所述第二碳活性材料层的厚度为2μm-10mm。

优选地，所述硅碳活性材料层按重量100份计包括以下组分：80-97份硅碳活性物质、1-10份导电剂以及2-15份粘结剂；

所述碳活性材料层按重量100份计包括以下组分：80-97份碳活性物质、3-20份粘结剂。

优选地，所述碳活性物质中包含以下组分的一种或多种：碳纳米管、碳纤维、导电碳粉super-P、乙炔黑、石墨烯；

所述粘结剂包括以下组分的一种或多种：自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、丁苯橡胶、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、聚丙烯酸。

本发明另提出一种锂离子电池的制备方法，包括步骤：

步骤一、提供用于做负极集流体的箔片和硅碳活性材料；

步骤二、将所述硅碳活性材料涂覆于所述箔片的正反面上，使箔片正反面上分别形成多个硅碳活性材料层，且多个硅碳活性材料层相互间存在间隙；

步骤三、待涂覆有硅碳活性材料层的箔片干燥后，在其正反面上分别涂覆碳活性材料，使硅碳活性材料层间的间隙内、以及硅碳活性材料层上覆盖一层碳活性材料层；

步骤四、待涂覆有硅碳活性材料层和碳活性材料层的箔片干燥后，对所述箔片进行辊压、分条，得到锂离子电池负极极片；

步骤五、提供正极极片和隔膜，并将所述负极极片、正极极片以及所述隔膜卷绕成电池，制成锂离子电池。

本发明所提供的一种负极极片及制备方法、锂离子电池及制备方法，通过在负极集流体正反面上涂覆相互间隔离的多个硅碳活性材料层，并在硅碳活性材料层上，以及多个相互隔离的硅碳活性材料层之间涂覆碳活性材料层方式，由于碳活性材料层具有很多微孔结构，因此负极集流体上分割开的硅碳活性材料层在电池充放电过程中，碳活性材料层作为缓冲区域，从而使负极极片的膨胀受控，进而防止电池结构和性能的劣化。

附图说明

图1是本发明的锂离子电池实施例中负极极片的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，提出本发明的锂离子电池一实施例，包括负极极片100，所述负极极片100包括负极集流体101，所述负极集流体101的正反面上分别设置有多个硅碳活性材料层102，所述多个硅碳活性材料层102相互间分别由第一碳活性材料层103隔离；所述硅碳活性材料层102和第一碳活性材料层103上设有第二碳活性材料层104。

进一步地，上述锂离子电池实施例中，所述负极集流体101为糙面铜箔。

进一步地，上述锂离子电池实施例中，所述硅碳活性材料层102和第一碳活性材料层103的厚度为10μm-20mm；所述第二碳活性材料层104的厚度为2μm-10mm。

本发明还提出一种负极极片一实施例，本实施例中的所述负极极片为以上锂离子电池实施例中负极极片100，在此不再赘述。

以下是制备上述锂离子电池的具体实施例

实施例1

制备锂离子电池S1

一、负极极片的制备

步骤一、提供用于做负极集流体的箔片和硅碳活性材料。

步骤二、将所述硅碳活性材料涂覆于所述箔片的正反面上，使箔片正反面上分别形成多个硅碳活性材料层，且多个硅碳活性材料层相互间存在间隙。

步骤三、将涂覆有硅碳活性材料层的箔片置于85-105℃的环境内烘烤2-30分钟使其干燥，然后在其正反面上分别涂覆碳活性材料，使硅碳活性材料层间的间隙内、以及硅碳活性材料层上覆盖一层碳活性材料层。

步骤四、将涂覆有硅碳活性材料层和碳活性材料层的箔片置于85-105℃的环境内烘烤2-30分钟使其干燥，然后对所述箔片进行辊压、分条，得到负极极片。

二、电池电芯的制备

提供正极极片和隔膜，将正极极片、隔膜、以及所制备负极极片卷绕成电池电芯。

三、锂离子电池的制备

采用铝塑膜对电池电芯进行包装，然后注入电解液、化成、成型得到锂离子电池S1。其中所述电解液包括锂盐和非水溶剂，所述钾盐为浓度为1mol/L的六氟磷酸锂；非水溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯的混合溶剂，其中碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯的体积比为3:3:3。

本实施例中，制备负极极片的步骤二具体处理如下：在负极集流体的箔片一面上固定一印刷网格筛，将所述硅碳活性材料浆料涂覆于箔片上所述固定有印刷网格筛的一面上，取下所述印刷网格筛。然后在负极集流体的箔片另一面上固定一印刷网格筛，将所述硅碳活性材料涂覆于箔片所述另一面上，取下所述印刷网格筛。

进一步地，上述锂离子电池的制备过程中采用的负极集流体为可以为任何铜箔，如可以是双面光、单面光、双面毛、单面毛铜箔。所述硅碳活性材料层的厚度为10μm-20mm；所述硅碳活性材料层上覆盖的层碳活性材料层的厚度为2μm-10mm。所采用的印刷网格筛的网孔均匀设置，所述网孔形状为方形、菱形、三角形、或梅花形；另外所述网孔还可以设置为其他或任何封闭平面图形。

本实施例1中，所述硅碳负极层按重量100份计包括以下组分：97份硅碳活性物质、1份导电剂、以及2份粘结剂。

所述碳活性材料按重量100份计包括以下组分：90份碳活性物质、10份粘结剂。其中本实施例中，所述碳活性物质中包含以下组分的一种或多种：碳纳米管、碳纤维、导电碳粉super-P、乙炔黑、石墨烯。所述粘结剂包括以下组分的一种或多种：自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、丁苯橡胶、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、聚丙烯酸。

实施例2

制备锂离子电池S2

本实施例2制备锂离子电池的过程基本与实施例1相同，其区别只在于：实施例2中，所述硅碳活性材料按重量100份计包括以下组分：80份硅碳活性物质、5份导电剂、以及15份粘结剂。所述碳活性材料按重量100份计包括以下组分：97.0份碳活性物质和3份粘结剂。

实施例3

制备锂离子电池S3

本实施例3制备锂离子电池的过程基本与实施例1相同，其区别只在于：实施例3中，所述硅碳活性材料按重量100份计包括以下组分：90份硅碳活性物质、4份导电剂、以及6份粘结剂。所述碳活性材料按重量100份计包括以下组分：87份碳活性物质和13份粘结剂。

实施例4

制备锂离子电池S4

本实施例4制备锂离子电池的过程基本与实施例1相同，其区别只在于：实施例3中，所述硅碳活性材料按重量100份计包括以下组分：88份硅碳活性物质、10份导电剂、以及2份粘结剂。所述碳活性材料按重量100份计包括以下组分：80份碳活性物质和20份粘结剂。

实施例5

制备锂离子电池S5

本实施例5制备锂离子电池的过程基本与实施例1相同，其区别只在于：实施例3中，所述硅碳活性材料按重量100份计包括以下组分：90份硅碳活性物质、4份导电剂、以及6份粘结剂。所述碳活性材料按重量100份计包括以下组分：85份碳活性物质和15份粘结剂。

对比例1

制备锂离子电池D1

本对比例1制备锂离子电池的方法基本与实施例1相同，其区别在于：本对比例制备的负极极片的正反面上分别均匀涂覆硅碳活性材料层，没有使用印刷网格筛，没有涂覆碳活性材料层。

对比例2

制备锂离子电池D2

本对比例制备锂离子电池的方法基本与实施例1相同，其区别在于：本对比例制备的负极极片的正反面上使用印刷网格筛涂覆硅碳活性材料层，而没有涂覆碳活性材料层。

性能测试

对上述实施例1、2、3、4和5以及对比例1和2制备锂离子电池S1、S2、S3、S4、S5、D1以及D2进行如下性能测试：

1、电池容量测试

将上述锂离子电池S1、S2、S3、S4、S5、D1以及D2分别先用1000mA恒流充电至4.2V，再恒压充电至电流为50mA截止，然后以1000mA恒流放电至2.75V，以此放出的容量作为电池的容量，并将锂离子电池S1、S2、D1以及D2的容量分别填入表1。

2、循环性能

将锂离子电池S1、S2、S3、S4、S5、D1以及D2电池分别以1C电流充电至4.2V，在电压升至4.2V后以恒定电压充电，截止电流为0.05C。然后将电池以1C电流进行放电，每进行一次充电和放电即为一次循环，电池进行500次循环后，得到500次循环后的容量与首次循环的容量比值即为容量保持率，并将锂离子电池S1、S2、S3、D1以及D2的容量保持率分别填入表1。

表1

从表1的测试结果可以看出，本发明公开的制备方法制备得到的负极极片，及以由负极极片制造的锂离子电池的容量比采用常规涂覆方法制备负极极片的电池容量高，500次循环后厚度膨胀明显减小；并且从S1、S2和S3的循环性能看，其容量保持率均大于80%，完全满足实际使用需求，且锂离子电池S1、S2、S3、S4和S5在500周循环之后的厚度膨胀率与用常规碳材料制备负极极片的电池膨胀率相当，并未因为以硅碳合金负极作为负极活性物质，而导致因负极极片粉化和脱落，进而产生的循环性能大幅恶化的问题。

由上可知采用本发明提供的负极极片能够很好防止锂离子电池在化成过程中负极极片上的硅碳活性材料膨胀而导致负极极片变形，甚至产生粉化现象的发生，提高了锂离子电池的体积能量密度，还保证了锂离子电池的循环寿命。

应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (13)

1.一种负极极片；所述负极极片包括负极集流体，其特征在于，所述负极集流体的正反面上分别设置有多个硅碳活性材料层，所述多个硅碳活性材料层相互间分别由第一碳活性材料层隔离；所述硅碳活性材料层和第一碳活性材料层上设有第二碳活性材料层。

2.根据权利要求1所述的负极极片，其特征在于，所述硅碳活性材料层和第一碳活性材料层的厚度为10μm-20mm；所述第二碳活性材料层的厚度为2μm-10mm。

3.根据权利要求1或2所述的负极极片，其特征在于，

所述硅碳活性材料层按重量100份计包括以下组分：80-97份硅碳活性物质、1-10份导电剂以及2-15份粘结剂；

所述碳活性材料层按重量100份计包括以下组分：80-97份碳活性物质、3-20份粘结剂。

4.根据权利要求3所述的负极极片，所述碳活性物质中包含以下组分的一种或多种：碳纳米管、碳纤维、导电碳粉super-P、乙炔黑、石墨烯；

所述粘结剂包括以下组分的一种或多种：自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、丁苯橡胶、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、聚丙烯酸。

5.一种负极极片的制作方法，其特征在于，包括：

步骤一、提供用于做负极集流体的箔片和硅碳活性材料；

步骤二、将所述硅碳活性材料涂覆于所述箔片的正反面上，使箔片正反面上分别形成多个硅碳活性材料层，且多个硅碳活性材料层相互间存在间隙；

步骤三、待涂覆有硅碳活性材料层的箔片干燥后，在其正反面上分别涂覆碳活性材料，使硅碳活性材料层间的间隙内、以及硅碳活性材料层上覆盖一层碳活性材料层；

步骤四、待涂覆有硅碳活性材料层和碳活性材料层的箔片干燥后，对所述箔片进行辊压、分条，得到锂离子电池负极极片。

6.根据权利要求5所述锂离子电池负极极片的制备方法，其特征在于，

所述负极集流体为糙面铜箔；所述硅碳活性材料层的厚度为10μm-20mm；所述硅碳活性材料层上覆盖的层碳活性材料层的厚度为2μm-10mm。

7.根据权利要求5或6所述负极极片的制备方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：

在负极集流体的箔片一面上固定一印刷网格筛，将所述硅碳活性材料涂覆于箔片上所述固定有印刷网格筛的一面上，取下所述印刷网格筛；

在负极集流体的箔片另一面上固定一印刷网格筛，将所述硅碳活性材料涂覆于箔片所述另一面上，取下所述印刷网格筛。

8.根据权利要求7所述的锂离子负极极片的制备方法，其特征在于，所述印刷网格筛的网孔均匀设置，所述网孔形状为方形、菱形、三角形或梅花形。

9.一种锂离子电池，包括负极极片；所述负极极片包括负极集流体，其特征在于，所述负极集流体的正反面上分别设置有多个硅碳活性材料层，所述多个硅碳活性材料层相互间分别由第一碳活性材料层隔离；所述硅碳活性材料层和第一碳活性材料层上设有第二碳活性材料层。

10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极集流体为糙面铜箔；所述硅碳活性材料层和第一碳活性材料层的厚度为10μm-20mm；所述第二碳活性材料层的厚度为2μm-10mm。

11.根据权利要求9或10所述的锂离子电池，其特征在于，

所述硅碳活性材料层按重量100份计包括以下组分：80-97份硅碳活性物质、1-10份导电剂以及2-15份粘结剂；

所述碳活性材料层按重量100份计包括以下组分：80-97份碳活性物质、3-20份粘结剂。

12.根据权利要求11所述的锂离子电池，所述碳活性物质中包含以下组分的一种或多种：碳纳米管、碳纤维、导电碳粉super-P、乙炔黑、石墨烯；

所述粘结剂包括以下组分的一种或多种：自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、丁苯橡胶、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、聚丙烯酸。

13.一种锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括步骤：

步骤一、提供用于做负极集流体的箔片和硅碳活性材料；

步骤二、将所述硅碳活性材料涂覆于所述箔片的正反面上，使箔片正反面上分别形成多个硅碳活性材料层，且多个硅碳活性材料层相互间存在间隙；

步骤三、待涂覆有硅碳活性材料层的箔片干燥后，在其正反面上分别涂覆碳活性材料，使硅碳活性材料层间的间隙内、以及硅碳活性材料层上覆盖一层碳活性材料层；

步骤四、待涂覆有硅碳活性材料层和碳活性材料层的箔片干燥后，对所述箔片进行辊压、分条，得到锂离子电池负极极片；

步骤五、提供正极极片和隔膜，并将所述负极极片、正极极片以及所述隔膜卷绕成电池，制成锂离子电池。

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