CN112542565A - 一种提升锂离子电池快充能力的负极片及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提升锂离子电池快充能力的负极片及其制备方法和用途，所述负极片包括集流体、负极层和铜网，所述铜网与集流体用镍带连接，所述铜网的设置缩短了锂离子在负极层脱嵌的距离，并且降低了负极片的极化，从而提升了负极片的动力学性能。同时可以在一定程度上增大负极活性物质载量，提升电池能量密度。本发明的锂离子电池负极片操作简单，易于商业化，对于改善电池快充能力以及解决高负极面密度动力学不足问题效果显著。

Description

一种提升锂离子电池快充能力的负极片及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种提升锂离子电池快速充电能力的负极片及其制备方法和用途。
背景技术
随着数码产品的不断普及，锂离子电池得到快速的发展。现如今，人们对消费类电子产品尤其是手机、笔记本电脑以及电动汽车的需求越来越高，不仅对锂离子电池的能量密度要求越来越高，而且对电池的充电速度要求也越来越高，这给锂离子电池带来了很大挑战。
为了提高锂离子电池的能量密度，各电池厂商普遍采用的措施：一方面是寻求高容量负极，比如硅负极等，但是硅负极的首次充电效率低、循环寿命短以及循环膨胀大等问题难以解决，且硅负极由于导电性差的问题，很难支持快速充电；另一方面是进一步提高石墨压实密度，面临的问题是石墨高压实密度下动力学性能急剧下降；再一方面是增加极片涂层厚度，即增加活性物质的载量，此方法容易导致电池极化增大，动力学严重不足的问题。
因此，解决电池高能量密度下的快速充电性能成为电池厂商的首要任务。
发明内容
为了改善现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种提升锂离子电池快充能力的负极片及其制备方法和用途，所述负极片包括集流体、铜网和负极层；所述集流体一侧或两侧表面设置至少一层铜网和至少两层负极层，所述至少两层负极层和所述至少一层铜网依次设置在集流体表面。所述负极片的使用可以缩短锂离子在负极片的嵌入路径，同时减小极化，提高负极片高面密度下的动力学，进而提升电池快充体系下的体积能量密度。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种负极片，所述负极片包括集流体、铜网和负极层；
所述集流体一侧或两侧表面设置至少一层铜网和至少两层负极层，所述至少两层负极层和所述至少一层铜网依次交替设置在集流体表面。
根据本发明，所述至少两层负极层和所述至少一层铜网按负极层、铜网、负极层、铜网、……、负极层的顺序依次交替设置在集流体表面，且最外层为负极层。
根据本发明，所述集流体一侧或两侧表面设置至少一层铜网和至少两层负极层，优选为两侧表面。
根据本发明，所述集流体一侧或两侧表面设置1-10层铜网和2-11层负极层，例如设置1-8层铜网和2-9层负极层，例如设置1-6层铜网和2-7层负极层，设置1-4层铜网和2-5层负极层，例如设置1-3层铜网和2-4层负极层，例如设置1-2层铜网和2-3层负极层。
示例性地，所述负极片包括集流体、铜网、负极层X和负极层Y，所述集流体一侧或两侧表面设置负极层X，所述负极层X表面设置铜网，所述铜网表面设置负极层Y。
示例性地，所述负极片包括集流体、铜网A、铜网B、负极层X、负极层Y和负极层Z，所述集流体一侧或两侧表面设置负极层X，所述负极层X表面设置铜网A，所述铜网A表面设置负极层Y，所述负极层Y表面设置铜网B，所述铜网B表面设置负极层Z。
根据本发明，所述负极层是通过包括如下组分的原料制备得到的：
(a)负极活性材料70-99.95wt％；(b)导电剂0-10wt％；(c)粘结剂0.05-10wt％；(d)增稠剂0-10wt％。
示例性地，所述负极活性材料的添加量为70wt％、71wt％、72wt％、73wt％、74wt％、75wt％、80wt％、85wt％、90wt％、95wt％、96wt％、96.4wt％、96.9wt％、97.0wt％、97.2wt％、97.4wt％、97.5wt％、97.8wt％、98wt％、98.2wt％、99wt％、99.5wt％；
示例性地，所述导电剂的添加量为0wt％、0.2wt％、0.5wt％、1wt％、1.5wt％、2t％、3wt％、4wt％、5wt％、10wt％；
示例性地，所述粘结剂的添加量为0.05wt％、0.1wt％、0.2wt％、0.5wt％、0.8wt％、1wt％、1.3wt％、1.5wt％、1.8t％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、8wt％、10wt％。
示例性地，所述增稠剂的添加量为0wt％、0.05wt％、0.1wt％、0.2wt％、0.5wt％、0.8wt％、1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、8wt％、10wt％。
根据本发明，所述负极活性材料选自石墨、硬碳、软碳、硅基材料、锡基材料、石墨烯等中的至少一种。
根据本发明，所述导电剂选自super P、碳纳米管、炭黑等可用于负极导电剂材料中的一种或几种。
根据本发明，所述粘结剂选自SBR、PAA、PAA-Li、PAA-Na、PVDF等锂离子电池用粘结剂材料中的一种或几种。
根据本发明，所述增稠剂选自CMC-Na、CMC-Li等锂离子电池用增稠剂材料中的一种或几种。
根据本发明，所述负极层的厚度为10-200μm。例如为10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm、200μm。
根据本发明，每层负极层的厚度相同或不同，为了制备方便，优选为相同。
根据本发明，每层负极层的组成相同或不同，即制备所述每层负极层的负极混合浆料可以为相同组成和含量的负极混合浆料，也可以是不同组成和含量的负极混合浆料，所述不同组成和含量的负极混合浆料例如包括负极活性材料或其含量不同、导电剂或其含量不同、粘结剂或其含量不同中的至少一项不同。
根据本发明，所述集流体选自铜箔，例如为多孔铜箔或刻蚀铜箔的一种。
根据本发明，所述集流体的厚度为4-25μm，例如为4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm、21μm、22μm、23μm、24μm、25μm。
根据本发明，所述铜网目数为100目-1000目，厚度为4μm-20μm，例如为4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm。
根据本发明，所述铜网与集流体用镍带连接(如焊接)；所述镍带的数量可以是一个，也可以是多个。
本发明还提供上述负极片的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)在集流体至少一侧表面涂覆负极层；
(2)在负极层表面设置铜网，在铜网表面涂覆负极层；
(3)任选地重复步骤(2)至少一次，例如为1-10次；
(4)用镍带将集流体和铜网连接，制备得到所述负极片。
根据本发明，步骤(1)具体为：在集流体至少一侧表面涂覆包括负极活性材料、导电剂、粘结剂和增稠剂的混合浆料，干燥，制备得到负极层。
根据本发明，步骤(4)具体为：用镍带将集流体和铜网焊接(所有的铜网)，制备得到所述负极片。
本发明还提供上述负极片的用途，其用于制备锂离子电池。
本发明还提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括上述的负极片。
根据本发明，所述锂离子电池还包括正极片、隔膜和电解液。
其中，所述的负极片采用的石墨、硬碳、硅等可用作锂离子电池负极的常规材料。所述隔膜和电解液均为锂离子电池用常规材料。
本发明中，申请人出人意料地发现，根据本发明的负极片中至少一层铜网的设置，一方面不会阻碍锂离子从例如至少两层负极层进入电解液，保证了锂离子的脱出通道；另一方面，将铜网与集流体连接后，铜网相当于第二层集流体，缩短了锂离子在负极层脱嵌的距离，并且降低了负极片的极化，从而提升了负极片的动力学性能；同时，由于双层集流体的存在，可以增加整个负极片的活性材料载量，即提高负极片面密度，从而有利于提升电池的体积能量密度。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种提升锂离子电池快充能力的负极片及其制备方法和用途，所述负极片包括集流体、负极层和铜网，所述铜网与集流体用镍带连接，所述铜网的设置缩短了锂离子在负极层脱嵌的距离，并且降低了负极片的极化，从而提升了负极片的动力学性能。同时可以在一定程度上增大负极活性物质载量，提升电池能量密度。本发明的锂离子电池负极片操作简单，易于商业化，对于改善电池快充能力以及解决高负极面密度动力学不足问题效果显著。
附图说明
图1为本发明的负极片的主视图。
图2为本发明的负极片的俯视图。
图3为本发明的负极片制得的锂离子电池在不同倍率下的放电性能。
附图标记：1是集流体；2是镍带连接点；3是铜网；4是负极层X；5是负极层Y；6是负极极耳。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的制备方法做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中所使用的铜网选自目数为500目，厚度为10μm的铜网。
对比例1
配制负极浆料：
将95.0wt％负极活性材料石墨、2.0wt％粘结剂SBR、2.0wt％增稠剂CMC-Na、1.0wt％导电剂Super P及一定量的去离子水加入行星搅拌罐中，以公转35Hz，分散1500Hz的搅拌速度搅拌8h，使其充分混合配制成出料粘度在5000mPa.s的负极浆料。
将负极浆料涂覆在厚度为6μm的集流体层两侧表面，90℃下真空干燥箱干燥，制备得到单面涂覆层厚度为120μm的负极层。
选取的正极片的正极活性物质为钴酸锂，隔膜为锂电池用常规基材隔膜，电解液为锂离子电池商业用液态电解液。
将上述制备得到的负极片、正极片和隔膜采用卷绕工艺，搭配液态电解液制成锂离子电池。
实施例1
其他同对比例1，区别在于负极层中插入一层铜网，负极层总厚度不变；即涂布时，先在集流体两侧表面分别涂覆一层厚度为60μm的负极层命名为负极层X，在负极层X表面加一层铜网，85℃真空烘烤2-4h；然后在铜网上再涂覆一层厚度为60μm的负极层命名为负极层Y，将铜网与集流体用镍带焊接在一起，90℃真空烘烤8h，制得所得负极片，结果如图1所示，在集流体1两侧分别设置负极层X5、铜网3和负极层Y5；且铝网3通过镍带连接点2与集流体1连接，所述负极还包括负极极耳6。
实施例2
其他同对比例1，区别在于负极层中插入一层铜网，负极层总厚度变厚；即涂布时，先在集流体两侧表面分别涂覆一层厚度为70μm的负极层命名为负极层X，在负极层X表面加一层铜网，85℃真空烘烤2-4h；然后在铜网上再涂覆一层厚度为70μm的负极层命名为负极层Y，将铜网与集流体用镍带焊接在一起，90℃真空烘烤8h，制得所得负极片。
实施例3
其他同对比例1，区别在于负极层中插入一层铜网，负极层总厚度变厚；即涂布时，先在集流体两侧表面分别涂覆一层厚度为80μm的负极层命名为负极层X，在负极层X表面加一层铜网，85℃真空烘烤2-4h；然后在铜网上再涂覆一层厚度为80μm的负极层命名为负极层Y，将铜网与集流体用镍带焊接在一起，90℃真空烘烤8h，制得所得负极片。
实施例4
其他同对比例1，区别在于负极层中插入两层铜网，负极层总厚度同对比例1；即涂布时，先在集流体两侧表面分别涂覆一层厚度为40μm的负极层命名为负极层X，在负极层X表面加一层铜网A，85℃真空烘烤2-4h；然后在铜网A上再涂覆一层厚度为40μm的负极层命名为负极层Y，在负极层Y表面加一层铜网B，85℃真空烘烤2-4h；再在铜网B表面涂覆一层厚度为40μm的负极层，命名为负极层Z，将铜网A和铜网B与集流体用镍带焊接在一起，90℃真空烘烤8h，制得所得负极片。
将对比例1和实施例1-4制得的锂离子电池进行不同倍率性能测试，得到不同倍率充电下电池的恒流阶段容量占电池总容量比例曲线即恒流充入比曲线，如图3所示；同时将对比例1和实施例1-4制得的锂离子电池进行常温充电析锂窗口测试，得到如下表1数据。
表1对比例1和实施例1-4制得的锂离子电池进行常温充电析锂窗口测试结果
Figure BDA0002209728900000071
Figure BDA0002209728900000081
表1的测试结果表明，采用本发明方法的负极片制得的锂离子电池，相比对比例1的常规极片制得的锂离子电池，析锂窗口更宽，可以支持更大倍率的充电。从表1还可以看出，相比对比例1，本发明的负极片中加入一层铜网，可以大幅提升电池析锂窗口，加入两层铜网，效果更明显；此外，本发明的负极片在相同析锂窗口下可以支持更厚的负极涂层，即支持更高的活性物质载量。
如图3所示，本发明的负极片制得的电池恒流阶段的容量占电池总充电容量的比例更高，即恒流充入比更高，恒流充入比是衡量电池快充能力的指标，电池的充电速度主要取决于恒流充电阶段容量的占比，恒流充入比越高，电池快充性能越好，电池充满容量的时间也越短；图3的测试结果表明，本发明的负极片加入铜网可以提高电池恒流充入比，且活性物质载量提高，依然效果明显，且增加铜网层数，可以更好的改善恒流充入比。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种负极片，所述负极片包括集流体、铜网和负极层；
所述集流体一侧或两侧表面设置至少一层铜网和至少两层负极层，所述至少两层负极层和所述至少一层铜网依次交替设置在集流体表面。
2.根据权利要求1所述的负极片，其中，所述至少两层负极层和所述至少一层铜网按负极层、铜网、负极层、铜网、……、负极层的顺序依次交替设置在集流体表面，且最外层为负极层。
3.根据权利要求1或2所述的负极片，其中，所述集流体一侧或两侧表面设置1-10层铜网和2-11层负极层，例如设置1-8层铜网和2-9层负极层，例如设置1-6层铜网和2-7层负极层，设置1-4层铜网和2-5层负极层，例如设置1-3层铜网和2-4层负极层，例如设置1-2层铜网和2-3层负极层。
4.根据权利要求1-3任一项所述的负极片，其中，所述负极片包括集流体、铜网、负极层X和负极层Y，所述集流体一侧或两侧表面设置负极层X，所述负极层X表面设置铜网，所述铜网表面设置负极层Y；
或者，所述负极片包括集流体、铜网A、铜网B、负极层X、负极层Y和负极层Z，所述集流体一侧或两侧表面设置负极层X，所述负极层X表面设置铜网A，所述铜网A表面设置负极层Y，所述负极层Y表面设置铜网B，所述铜网B表面设置负极层Z。
5.根据权利要求1-4任一项所述的负极片，其中，所述负极层是通过包括如下组分的原料制备得到的：
(a)负极活性材料70-99.95wt％；(b)导电剂0-10wt％；(c)粘结剂0.05-10wt％；(d)增稠剂0-10wt％。
6.根据权利要求1-5任一项所述的负极片，其中，所述负极层的厚度为10-200μm；
优选地，所述集流体选自铜箔，例如为多孔铜箔或刻蚀铜箔的一种；
优选地，所述铜网目数为100目-1000目，厚度为4μm-20μm；所述铜网与集流体用镍带连接；所述镍带的数量是一个或多个。
7.权利要求1-6任一项所述的负极片的制备方法，其中，所述方法包括如下步骤：
(1)在集流体至少一侧表面涂覆负极层；
(2)在负极层表面设置铜网，在铜网表面涂覆负极层；
(3)任选地重复步骤(2)至少一次，例如为1-10次；
(4)用镍带将集流体和铜网连接，制备得到所述负极片。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，步骤(1)具体为：在集流体至少一侧表面涂覆包括负极活性材料、导电剂、粘结剂和增稠剂的混合浆料，干燥，制备得到负极层；
步骤(4)具体为：用镍带将集流体和铜网焊接，制备得到所述负极片。
9.权利要求1-6任一项所述的负极片的用途，其用于制备锂离子电池。
10.一种锂离子电池，所述锂离子电池包括权利要求1-6任一项所述的负极片。
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