CN107732151B - 锂离子电池负极片及其制备方法、锂离子电池 - Google Patents

锂离子电池负极片及其制备方法、锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极片及其制备方法、锂离子电池。锂离子电池负极片包括用作集流体的铝箔层，以及分别设置于所述铝箔层的相对两面的第一软碳层和第二软碳层，且所述第一软碳层和第二软碳层的面密度均为0.2g/cm2～1g/cm2。其制备方法包括如下步骤：将含有软碳的负极浆料涂覆于铝箔层的相对两面，并辊压、烘干处理后形成第一软碳层和第二软碳层。本发明提供的锂离子电池负极片不仅可以缓解负极片嵌锂过程中的体积膨胀，防止铝箔层表面可能生产的锂晶枝刺穿隔膜的风险，而且同时能抑制铝箔层表面的活性物质粉化和脱落的问题。

Description

锂离子电池负极片及其制备方法、锂离子电池
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极片及其制备方法、锂离子电池。
背景技术
锂离子电池：是一种二次电池(充电电池)，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。提升锂离子电池的能量密度主要包括两种途径：第一，在现有材料体系下，增大正负极材料的压实密度并使用更薄的辅材。然而压实密度过大会影响材料的性能，同时使用更薄的辅材可能会增加安全风险；第二，提升现有材料的比容量或开发能量密度更高的新型正负极材料。所有材料实际比容量均要小于理论比容量，而现有材料的比容量提升上目前已到了瓶颈期，因此亟待开发新型的正负极材料。
金属铝是一种新型的锂离子电池负极材料，其具有非常高的能量密度，然而其在反复充放电过程中存在体积膨胀、析锂及嵌锂层粉化脱落等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种锂离子电池负极片及其制备方法、锂离子电池，旨在解决现有锂离子电池技术领域中，电池负极片存在体积膨胀、析锂及嵌锂层粉化脱落从而影响锂离子电池性能的技术问题。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明一方面提供一种锂离子电池负极片，所述锂离子电池负极片包括用作集流体的铝箔层，以及分别设置于所述铝箔层的相对两面的第一软碳层和第二软碳层，且所述第一软碳层和第二软碳层的面密度均为0.2g/cm2～1g/cm2。
本发明另一方面提供一种上述锂离子电池负极片的制备方法，其包括如下步骤：
将含有软碳的负极浆料涂覆于铝箔层的相对两面，并辊压、烘干处理后形成第一软碳层和第二软碳层。
最后，本发明提供一种锂离子电池，所述锂离子电池含有上述锂离子电池负极片。
本发明提供的锂离子电池负极片，在电池充电以后，锂离子嵌入第一软碳层、第二软碳层和铝箔层的相对两面，嵌入第一软碳层后生成LiCx从而形成第一LiCx层，嵌入第二软碳层后生成LiCx从而形成第二LiCx层，嵌入铝箔层的相对两面生成第一AlLi层和第二AlLi层，同时，第一LiCx层和第二LiCx层表面也会各自形成一固体电解质界面膜(SolidElectrolyte Interphase，SEI)。在此锂离子电池负极片中，LiCx层较为疏松，能够缓冲AlLi层的体积膨胀，同时还能抑制AlLi层的粉化和脱落；在大倍率放电时，软碳本身就具有较大的倍率优势，因此很难在软碳层形成锂晶枝，即便Li+在AlLi层的表面沉积生成锂晶枝，其也只能沉浸处于LiCx层之中，因此减少了刺穿隔膜的风险。因此，本发明提供的锂离子电池负极片不仅可以缓解负极片嵌锂过程中的体积膨胀，防止铝箔层表面可能生产的锂晶枝刺穿隔膜的风险，而且同时能抑制铝箔层表面的活性物质粉化和脱落的问题。
本发明提供的锂离子电池负极片的制备方法，工艺简单易行，成本低，最终制得的锂离子电池负极片不仅可以缓解负极片嵌锂过程中的体积膨胀，防止铝箔层表面可能生产的锂晶枝刺穿隔膜的风险，而且同时能抑制铝箔层表面的活性物质粉化和脱落的问题。
本发明提供的锂离子电池因含有本发明上述的锂离子电池负极片，因此其具有能量密度高、容量保持率高，以及使用寿命长的特点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的锂离子电池负极片在锂离子电池未充电使用前的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的锂离子电池负极片在锂离子电池充电使用后的结构示意图；
其中，附图标记说明如下：
1：铝箔层；
21：第一软碳层(或第一LiCx层)；
22：第二软碳层(或第二LiCx层)；
31：第一AlLi层；
32：第二AlLi层；
41：第一固体电解质界面膜；
42：第二固体电解质界面膜；
5：锂晶枝。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
一方面，本发明实施例提供了一种锂离子电池负极片，其结构如图1和图2所示。该锂离子电池负极片包括用作集流体的铝箔层1，以及分别设置于该铝箔层1的相对两面的第一软碳层21和第二软碳层21，且该第一软碳层21和第二软碳层22的面密度均为0.2g/cm2～1g/cm2。
本实施例的锂离子电池负极片，在电池充电以后，锂离子嵌入第一软碳层21、第二软碳层21和铝箔层1的相对两面，嵌入第一软碳层21后生成LiCx从而形成第一LiCx层21，嵌入第二软碳层22后生成LiCx从而形成第二LiCx层22，嵌入铝箔层的相对两面生成第一AlLi层31和第二AlLi层31，同时，第一LiCx层21和第二LiCx层22表面也会各自形成第一固体电解质界面膜41和第二固体电解质界面膜42。在此锂离子电池负极片中，LiCx层较为疏松，能够缓冲AlLi层的体积膨胀，同时还能抑制AlLi层的粉化和脱落；在大倍率放电时，软碳本身就具有较大的倍率优势，因此很难在软碳层形成锂晶枝5，即便Li+在AlLi层的表面沉积生成锂晶枝5，其也只能沉浸处于LiCx层之中，因此减少了刺穿隔膜的风险。因此，本实施例的锂离子电池负极片不仅可以缓解负极片嵌锂过程中的体积膨胀，防止铝箔层1表面可能生产的锂晶枝2刺穿隔膜的风险，而且同时能抑制铝箔层1表面的活性物质粉化和脱落的问题。
面密度是指一定厚度的物质单位面积的质量。本实施例中第一软碳层21和第二软碳层22的面密度均为0.2g/cm2～1g/cm2，具体可以为0.2g/cm2、0.4g/cm2、0.5g/cm2、0.8g/cm2、1g/cm2。该面密度范围内，可有效缓解负极片嵌锂过程中的体积膨胀，抑制铝箔层表面的活性物质粉化和脱落。
优选地，本实施例的锂离子电池负极片中，第一软碳层21和第二软碳层21的厚度均为50μm～150μm，具体可以为50μm、60μm、80μm、100μm、120μm、150μm。在该厚度范围内，即可有效缓解负极片嵌锂过程中的体积膨胀，更可有效提高第一软碳层21和第二软碳层21的压实密度，这样包含该锂离子电池负极片的锂离子电池的容量越高。
优选地，本实施例的锂离子电池负极片中，软碳层包含焦炭、石墨化中间相碳微珠和碳纤维中的至少一种材料。这些软碳材料都可以从市场上获得。
优选地，本实施例的锂离子电池负极片中，铝箔层1的厚度为12μm～32μm，具体可以为12μm、15μm、20μm、25μm、30μm、32μm。本实施例中，铝箔层1不仅作为集流体，还可以作为负极活性材料，在该厚度范围内，不仅可有效节省锂离子电池负极片的空间，而且最终的电池比容量或能量密度更高。
另一方面，本发明实施例提供了一种锂离子电池负极片的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
将含有软碳的负极浆料涂覆于铝箔层1的相对两面，并辊压、烘干处理后形成第一软碳层21和第二软碳层22。
本实施例的锂离子电池负极片的制备方法，工艺简单易行，成本低，最终制得的锂离子电池负极片不仅可以缓解负极片嵌锂过程中的体积膨胀，防止铝箔层1表面可能生产的锂晶枝5刺穿隔膜的风险，而且同时能抑制铝箔层1表面的活性物质粉化和脱落的问题。
优选地，在上述步骤中，负极浆料的涂覆过程在整板涂覆机或选择性涂覆机中进行。负极浆料一般含有软碳、粘结剂和导电胶，而该设备的选择对负极浆料的涂覆效果最佳。
优选的，在上述步骤中，在压强为8MPa～10MPa的条件下进行辊压处理，这样第一软碳层21和第二软碳层22可紧密贴附于铝箔层两面，不影响其性能。
优选地，在上述步骤中，辊压处理在单传动辊压机或双传动辊压机中进行。该设备的辊压效果最佳。
最后，本发明实施例提供一种锂离子电池，该锂离子电池含有本实施例的锂离子电池锂离子负极片。本发明提供的锂离子电池因含有本发明上述的锂离子电池负极片，因此其具有能量密度高、容量保持率高，以及使用寿命长的特点。
本发明先后进行过多次试验，现举一部分试验结果作为参考对发明进行进一步详细描述，下面结合具体实施例进行详细说明。
实施例1
一种锂离子电池负极片，包括用作集流体的20μm铝箔层1，以及分别设置于该铝箔层1的相对两面的80μm的第一软碳层21和80μm的第二软碳层21，且该第一软碳层21和第二软碳层22的面密度均为0.2g/cm2。
采用三元材料NCM(523)做正极材料，在不超过正负极材料的极限压实下，制备出18650电池。其能量密度为252Wh/Kg，在循环性能测试中，其在0.5C/1C，3-4.2V的充放电制度下250周容量保持率为85％。
实施例2
一种锂离子电池负极片，包括用作集流体的20μm铝箔层1，以及分别设置于该铝箔层1的相对两面的100μm的第一软碳层21和100μm的第二软碳层21，且该第一软碳层21和第二软碳层22的面密度均为0.5g/cm2。
采用三元材料NCM(523)做正极材料，在不超过正负极材料的极限压实下，制备出18650电池。其能量密度为235Wh/Kg，在循环性能测试中，其在0.5C/1C，3-4.2V的充放电制度下250周容量保持率为88％。
实施例3
一种锂离子电池负极片，包括用作集流体的30μm铝箔层1，以及分别设置于该铝箔层1的相对两面的100μm的第一软碳层21和100μm的第二软碳层21，且该第一软碳层21和第二软碳层22的面密度均为0.8g/cm2。
采用三元材料NCM(523)做正极材料，在不超过正负极材料的极限压实下，制备出18650电池。其能量密度为223Wh/Kg，在循环性能测试中，其在0.5C/1C，3-4.2V的充放电制度下250周容量保持率为93％。
实施例4
一种锂离子电池负极片，包括用作集流体的30μm铝箔层1，以及分别设置于该铝箔层1的相对两面的100μm的第一软碳层21和100μm的第二软碳层21，且该第一软碳层21和第二软碳层22的面密度均为1g/cm2。
采用三元材料NCM(523)做正极材料，在不超过正负极材料的极限压实下，制备出18650电池。其能量密度为232Wh/Kg，在循环性能测试中，其在0.5C/1C，3-4.2V的充放电制度下250周容量保持率为94％。
对比例1
正极采用三元材料NCM(523)，负极采用铜箔(8μm)作为集流体，人造石墨为活性材料。在不超过正负极材料的极限压实下，制备出的18650电池能量密度为190Wh/Kg。
对比例2
正极采用三元材料NCM(523)，负极采用铝箔(20μm)作为集流体和活性材料。在不超过正极材料的极限压实下，制备出的18650电池能量密度为204Wh/Kg，在循环性能测试中，其在0.5C/1C，3-4.2V的充放电制度下250周容量保持率为82％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种锂离子电池负极片的制备方法，其特征在于，所锂离子电池述负极片包括用作集流体的铝箔层，以及分别设置于所述铝箔层的相对两面的第一软碳层和第二软碳层，且所述第一软碳层和第二软碳层的面密度均为0.2g/cm2～0.8g/cm2；所述制备方法包括如下步骤：
将含有软碳的负极浆料涂覆于厚度为12μm～32μm的铝箔层的相对两面，并辊压、烘干处理后形成厚度为50μm～150μm的第一软碳层和厚度为50μm～150μm的第二软碳层；
所述锂离子电池负极片在电池充电以后，锂离子嵌入所述第一软碳层形成第一LiCx层，嵌入所述第二软碳层形成第二LiCx层，嵌入所述铝箔层的相对两面生成第一AlLi层和第二AlLi层；且所述第一LiCx层和第二LiCx层缓冲所述第一AlLi层和第二AlLi层的体积膨胀，抑制所述第一AlLi层和第二AlLi层的粉化和脱落。
2.如权利要求1所述的锂离子电池负极片的制备方法，其特征在于，所述软碳层包含焦炭、石墨化中间相碳微珠和碳纤维中的至少一种材料。
3.如权利要求1所述的锂离子电池负极片的制备方法，其特征在于，所述负极浆料的涂覆过程在整板涂覆机或选择性涂覆机中进行。
4.如权利要求1所述的锂离子电池负极片的制备方法，其特征在于，所述辊压处理的压强为8MPa～10MPa。
5.如权利要求1所述的锂离子电池负极片的制备方法，其特征在于，所述辊压处理在单传动辊压机或双传动辊压机中进行。
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