CN112951339A - 一种负极片的设计方法及锂电池 - Google Patents

一种负极片的设计方法及锂电池 Download PDF

Info

Publication number
CN112951339A
CN112951339A CN202110130622.6A CN202110130622A CN112951339A CN 112951339 A CN112951339 A CN 112951339A CN 202110130622 A CN202110130622 A CN 202110130622A CN 112951339 A CN112951339 A CN 112951339A
Authority
CN
China
Prior art keywords
particles
negative plate
carbon
negative electrode
battery
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110130622.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112951339B (zh
Inventor
李兴旺
李文文
邓海福
赵霞
郭倩
王俊姿
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiewei Power (Changxing) Co.,Ltd.
Original Assignee
Tianjin EV Energies Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin EV Energies Co Ltd filed Critical Tianjin EV Energies Co Ltd
Priority to CN202110130622.6A priority Critical patent/CN112951339B/zh
Publication of CN112951339A publication Critical patent/CN112951339A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112951339B publication Critical patent/CN112951339B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C20/00—Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
    • G16C20/30—Prediction of properties of chemical compounds, compositions or mixtures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

本发明提供了一种负极片的设计方法及锂电池，通过选择属于同类材料具有不同粒径的多类颗粒作为负极片材料，模拟得到具有不同负极片的孔隙率时多类颗粒的体积百分含量，并计算电池最大充电倍率，从而达到能量密度和快充性能的平衡。本发明所述的负极片的设计方法考虑了多元材料最优化的堆积方式，可以得到多元材料最优化的配比，为能量密度的提升提供前提保障。同时，通过负极片设计公式，能够精准的对材料或电化学参数进行设计，输出结果即为最大快充能力，方便使用，节约验证时间，同时考虑到材料的物性参数调控的困难性，可使用多元材料，因此扩大的材料选择的范围，负极片设计公式中材料部分可以是各组分材料的加权值。

Description

一种负极片的设计方法及锂电池
技术领域
本发明属于锂电池技术领域，尤其是涉及一种负极片的设计方法及锂电池。
背景技术
快充和高能量密度是电池设计者的不懈追求，随着市场对纯电动汽车长续航里程和快速充电提出的要求，这两项指标显得尤为重要。而在电池设计中，快充和高能量密度的设计相互制约，因此如何在提高电池能量密度的同时满足快充性能的设计尤为重要。
传统的锂离子电池设计则是首先对能量密度进行设计，在能量密度达到要求的条件下，再进行有关快充的优化设计，设计完成后进行实验验证，总结优化方向对电池性能的影响，从而再次进行优化验证，最终达到电池能量密度和快充性能的平衡。
或者根据之前的设计经验，将材料的物性参数如粒径D50、石墨化度或电极参数如孔隙率、面容量、OI值进行总结，寻找相关规律，用来将电极材料或电极设计规定在某一范围内，从而减少验证方案，达到相对精准的设计。
虽然有关于材料选择和电池电极设计的相关总结经验，可以为电池的设计提供依据，从而节约验证时间。但该相关总结大都从动力方面(快充目的)或者能量方面(能量密度目的)进行设计，未考虑到多组分材料的应用，也未考虑到多组分材料在在电极中的堆积结构，从而未能最大程度优化电极结构，来达到高能量密度的目标。
并且，锂离子二次电池所使用的电极材料，其粒度多为连续行分布，且粒子颗粒形貌多样，呈不规则形状，仅用粒径D50数据不能完全评价材料的动力学性能，而锂离子从材料中脱出和嵌入，均需要经过材料粒子表面的孔道，因此使用材料比表面积能够更好的评价材料的动力学性能。并且，在电池设计中，N/P比的设计对其快充能力也是重要的影响因素。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种负极片的设计方法及锂电池，以优化负极片配方，达到电池最大充电倍率。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种负极片的设计方法，包括以下步骤：
a.选择属于同类材料具有不同粒径的多类颗粒作为负极片材料，模拟得到具有不同负极片的孔隙率时多类颗粒的体积百分含量；
b.按公式1计算电池最大充电倍率，
Max charge rate＝＝2.78*P*(0.5*C-0.2*L+S/6+10*R-7.47) 公式1，
其中S为颗粒的比表面积加权平均值，C为颗粒表面无定形碳的包覆量加权平均值，P为负极片的孔隙率，L为负极片的单层涂覆量，R为电池的N/P比。
优选的，所述颗粒的粒径≤25μm，颗粒的比表面积≤6m2/g，颗粒表面无定形碳的包覆量为0-6％，负极片的孔隙率为17％-40％，负极片的单层涂覆量≤24mg/cm2，电池的N/P比为1.01-1.25。
优选的，步骤a中模拟多类颗粒的体积百分含量的方法包括以下步骤：
a.根据公式2计算第一颗粒的理论占用体积，
V1＝1/(1+P) 公式2；
b.根据公式3计算第二颗粒的理论占用体积，
V2＝1-V1 公式3；
c.当N＞2时，根据公式4计算第N颗粒的理论占用体积，
VN＝VN-1*P 公式4；
d.根据公式5计算颗粒的百分含量，
DN＝VN/(V1+V2+V3+.....+VN) 公式5。
优选的，所述负极片材料包括第一颗粒、第二颗粒、第三颗粒及第四颗粒，所述第二颗粒、第三颗粒、第四颗粒的平均粒径与第一颗粒的平均粒径的比值分别为：0.4-0.7、0.2-0.4、0.1-0.2。
优选的，所述负极片材料包括碳材料、硅基材料、锡基材料、钛酸锂中的一种或多种的混合物，其中，碳材料包括石墨、软碳、硬碳、碳纤维、中间相碳微球中的一种或多种的混合物；石墨包括人造石墨、天然石墨中的一种或两种的混合物；硅基材料包括单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅合金中的一种或多种的混合物；锡基材料包括单质锡、锡氧化合物、锡合金中的一种或多种的混合物。
优选的，所述负极片材料还包括导电剂及粘结剂，所述导电剂占负极片的体积百分含量为0.5％-3％，所述粘结剂占负极片的体积百分含量为2％-5％，所述导电剂包括导电石墨、导电炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯或VGCF中的一种或多种的混合物，所述粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯及其共聚物、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸钠、聚酰亚胺、海藻酸钠中的一种或多种的混合物，优选的，所述导电剂占负极片的体积百分含量为1％-2％，所述粘结剂占负极片的体积百分含量为3％-4％。
一种锂电池，包括正极片、负极片、电解液及隔膜，应用了如上述所述的负极片的设计方法。
优选的，所述正极片的材质为LixCoO2(0.5﹤x﹤1.3)、LixNiO2(0.5﹤x﹤1.3)、LixMnO2(0.5﹤x﹤1.3)、LixMn2O4(0.5﹤x﹤1.3)、Lix(NiaCobMnc)O2(0.5﹤x﹤1.3，0﹤a﹤1，0﹤b﹤1，0﹤c﹤1，a+b+c＝1)、LixNi1-yCoyO2(0.5﹤x﹤1.3，0﹤y﹤1)、LixCo1-yMnyO2(0.5﹤x﹤1.3，0≤y﹤1)、LixNi1-yMnyO2(0.5﹤x﹤1.3，0≤y﹤1)、Lix(NiaCobMnc)O4(0.5﹤x﹤1.3，0﹤a﹤2，0﹤b﹤2，0﹤c﹤2，a+b+c＝2)、LixMn2-zNizO4(0.5﹤x﹤1.3，0﹤z﹤2)、LixMn2-zCozO4(0.5﹤x﹤1.3，0﹤z﹤2)、LixCoPO4(0.5﹤x﹤1.3)、LixFePO4(0.5﹤x﹤1.3)中的一种或多种的混合物。
优选的，所述电解液包括有机溶剂及锂盐，所述有机溶剂为丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯和丙酸丁酯、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯、碳酸二丙酯、二甲亚砜、乙腈、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、碳酸亚乙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯、亚硫酸亚丙酯、四氢呋喃中的一种或多种的混合物，所述锂盐的阴离子为F-、Cl-、Br-、I-、NO3 -、N(CN)2 -、BF4 -、ClO4 -、PF6 -、(CF3)2PF4 -、(CF3)3PF3 -、(CF3)4PF2 -、(CF3)5PF-、(CF3)6P-、CF3SO3 -、CF3CF2SO3 -、(CF3SO2)2N-、(FSO2)2N-、CF3CF2(CF3)2CO-、(CF3SO2)2CH-、(SF5)3C-、(CF3SO2)3C-、CF3(CF2)7SO3 -、CF3CO2 -、CH3CO2 -、SCN-和(CF3CF2SO2)2N-中的一种或多种的混合物。
优选的，所述隔膜的材质为乙烯均聚物、丙烯均聚物、乙烯/丁烯共聚物、乙烯/己烯共聚物和乙烯/甲基丙烯酸酯共聚物、高熔点玻璃纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维中的一种。
相对于现有技术，本发明所述的负极片的设计方法及锂电池具有以下优势：
(1)本发明所述的设计方法考虑了多元材料最优化的堆积方式，可以得到多元材料最优化的配比，为能量密度的提升提供前提保障。同时，通过负极片设计公式，能够精准的对材料或电化学参数进行设计，输出结果即为最大快充能力，方便使用，节约验证时间；
(2)本发明所述的设计方法考虑到材料的物性参数调控的困难性，可使用多元材料，因此扩大的材料选择的范围，负极片设计公式中材料部分可以是各组分材料的加权值。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的二元体系颗粒配比示意图；
图2为本发明实施例所述的三元体系颗粒配比示意图；
图3为本发明实施例所述的四元体系颗粒配比示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明通过不同颗粒状态的多元(二元、三元或四元)材料堆积模型的模拟，总结出在不同孔隙率条件下不同材料组分最优化的搭配方式；
通过负极片设计公式，从材料的比表面积、碳包覆量，极片的孔隙率、面密度和N/P比进行计算，得出该设计能够达到的最大充电倍率；同时也可以根据最大充电倍率要求对以上材料或电极参数进行选择。
1、不同粒径颗粒搭配设计
如图1-3所示，设第一类颗粒(简称D1)的平均粒径D50＝r，则第二类颗粒(简称D2)的平均粒径D50为0.4r-0.7r，第三类颗粒(简称D3)的平均粒径D50为0.2r-0.4r，第四类颗粒(简称D4)的平均粒径D50为0.1r-0.2r，D1-D4分别代表粒径不同的某类材料或材料集合体，而并不仅仅是代表一种材料，例如D2可以是平均粒径0.4r-0.7r的材料集合。
模拟多类颗粒的体积百分含量的方法包括以下步骤：
a.根据公式2计算第一颗粒的理论占用体积，
V1＝1/(1+P) 公式2；
b.根据公式3计算第二颗粒的理论占用体积，
V2＝1-V1 公式3；
c.当N＞2时，根据公式4计算第N颗粒的理论占用体积，
VN＝VN-1*P 公式4；
d.根据公式5计算颗粒的百分含量，
DN＝VN/(V1+V2+V3+.....+VN) 公式5。
模拟结果如下表1及图1-3所示，
表1多元体系颗粒体积百分含量模拟
Figure BDA0002925065570000071
根据不同的设计孔隙率和不同材料的颗粒范围，可以得出最优化的不同体系颗粒的百分含量，由图3可以看出，在四元体系中，无论在何种孔隙率条件下，D4的含量均比较低，因此说明在二元或三元条件下，即能够满足颗粒优化的搭配方式，为了简化设计，选择二元体系或三元体系即能够满足设计要求。
2、电池最大充电倍率计算
在电池设计中，负极片是影响电池快充性能的主要因素，因此负极片的设计对电池快充的影响更为重要。负极材料充足的比表面积是提供锂离子进入材料内部的通道，同时材料表面无定形碳的包覆为锂离子在负极材料的嵌入提供缓冲层，因此这两个因素对负极片的快充影响较大。同时在负极片的设计中，足够的孔隙率是为了给锂离子提供在极片中(颗粒间)移动的孔道，而涂覆量则是决定单位面积内要求通过的锂离子数量，加之电池设计的N/P比是提供额外的负极材料，防止在快充过程中析锂，因此以上参数对快充性能的影响较为关键。
负极材料的比表面积为S(m2/g)，负极材料表面无定形碳的包覆量为C(％)，负极片的孔隙率为P，负极片的单层涂覆量为L(mg/cm2)，电池设计的N/P比(即负极与正极的过量比)为R，则电池最大充电倍率满足公式1：
Max charge rate＝＝2.78*P*(0.5*C-0.2*L+S/6+10*R-7.47) 公式1，
其中C、S可以为多种材料物性参数的加权值，即
Figure BDA0002925065570000081
Figure BDA0002925065570000082
负极材料颗粒粒径D50≤25μm；
负极材料颗粒比表面积S≤6m2/g；
负极材料颗粒表面无定型碳包覆量范围0-6％；
负极片孔隙率P范围17％-40％；
负极片的单层涂覆量L≤24mg/cm2；
电池设计的N/P比范围1.01-1.25。
3.对设计的说明：
使用本发明设计的负极片，可以是分布在集流体的一个单面上的负极片，也可以是分布在集流体两个面上的负极片。或者是分布在集流体两个面上的负极片其中至少1面是采用本发明设计的负极片。
负极片配方中除负极材料外，还应包括导电剂和粘结剂。所述导电剂导电碳材料，如导电石墨、导电炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯或VGCF中的任意一种或两种以上的组合，其中导电剂占负极配方中含量为0.5％-3％，优选1％-2％，因为过多的导电剂会占用负极材料形成的孔隙，影响锂离子的传输，而过少的导电剂则无法形成全面有效的导电网络，影响快充性能。所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯及其共聚物、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸钠、聚酰亚胺、海藻酸钠中的一种或几种，其中粘结剂占负极配方中的含量为2％-5％，优选3-4％，因为过少的粘结剂会降低极片的粘接，在充放电过程中引起负极片从集流体层的脱落，而过多的粘结剂会降低离子和电子的传导，降低快充能力。
以上设计所使用的负极材料，可以是碳材料、硅基材料、锡基材料、钛酸锂中的一种或几种。其中，碳材料可以是石墨、软碳、硬碳、碳纤维、中间相碳微球中的一种或几种；石墨可以是人造石墨、天然石墨中的一种或几种；硅基材料可以是单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅合金中的一种或几种；锡基材料可以是单质锡、锡氧化合物、锡合金中的一种或几种。
与负极材料匹配的正极材料优选包括含锂的过渡金属氧化物，例如LixCoO2(0.5﹤x﹤1.3)、LixNiO2(0.5﹤x﹤1.3)、LixMnO2(0.5﹤x﹤1.3)、LixMn2O4(0.5﹤x﹤1.3)、Lix(NiaCobMnc)O2(0.5﹤x﹤1.3，0﹤a﹤1，0﹤b﹤1，0﹤c﹤1，a+b+c＝1)、LixNi1-yCoyO2(0.5﹤x﹤1.3，0﹤y﹤1)、LixCo1- yMnyO2(0.5﹤x﹤1.3，0≤y﹤1)、LixNi1-yMnyO2(0.5﹤x﹤1.3，0≤y﹤1)、Lix(NiaCobMnc)O4(0.5﹤x﹤1.3，0﹤a﹤2，0﹤b﹤2，0﹤c﹤2，a+b+c＝2)、LixMn2-zNizO4(0.5﹤x﹤1.3，0﹤z﹤2)、LixMn2-zCozO4(0.5﹤x﹤1.3，0﹤z﹤2)、LixCoPO4(0.5﹤x﹤1.3)、LixFePO4(0.5﹤x﹤1.3)以及它们的混合物。
电池所使用的电解液包含锂盐和有机溶剂。锂盐的阴离子选自如下：F-、Cl-、Br-、I-、NO3 -、N(CN)2 -、BF4 -、ClO4 -、PF6 -、(CF3)2PF4 -、(CF3)3PF3 -、(CF3)4PF2 -、(CF3)5PF-、(CF3)6P-、CF3SO3 -、CF3CF2SO3 -、(CF3SO2)2N-、(FSO2)2N-、CF3CF2(CF3)2CO-、(CF3SO2)2CH-、(SF5)3C-、(CF3SO2)3C-、CF3(CF2)7SO3 -、CF3CO2 -、CH3CO2 -、SCN-和(CF3CF2SO2)2N-。有机溶剂选自如下的至少一种：碳酸氟代亚乙酯(FEC)：丙酸酯，更具体地，丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯和丙酸丁酯、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯、碳酸二丙酯、二甲亚砜、乙腈、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、碳酸亚乙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯、亚硫酸亚丙酯和四氢呋喃，以及它们的混合物。
所使用的隔膜可以由如下制成：聚烯烃基聚合物如乙烯均聚物、丙烯均聚物、乙烯/丁烯共聚物、乙烯/己烯共聚物和乙烯/甲基丙烯酸酯共聚物，或多孔无纺布如高熔点玻璃纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维等制成。另外，可以在多孔聚合物膜或多孔无纺布可以在其至少一个表面上包含无机粒子与粘合剂形成的多孔有机/无机涂层。
在进行负极片的设计时，可根据以上参数进行调节，来得出该设计的理论最大充电倍率，与设计目标进行对比，通过调节各参数的设计，来满足快充及能量密度的要求。同时材料的尽量满足图1～图3的最优化颗粒搭配原则，虽然仅使用公式1也能够达到电池设计的目标，但图1～图3的为最优化颗粒搭配，能够保证颗粒搭配后的孔隙率均匀，在满足相对能量密度的同时更有利于快充性能的发挥。
4、测试验证
将正极活性物质、导电剂碳黑、导电剂碳纳米管、粘结剂聚偏氟乙烯按一定质量比混合，使用N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂，通过行星式搅拌机搅拌制备正极浆料；将正极浆料均匀涂覆在正极集流体铝箔的两个表面上，烘干后进行碾压、分切得到正极极片。
如表2所示，将不同比例的负极活性物质、导电剂碳黑、增稠剂羧甲基纤维素钠和粘接剂丁苯橡胶(SBR)按一定质量比混合，使用去离子水溶剂，通过行星式搅拌机搅拌制备负极浆料；将负极浆料均匀涂覆在正极集流体铝箔的两个表面上，烘干后进行碾压、分切得到负极极片。
将真空干燥后的正极极片、隔离膜、负极极片按顺序堆叠，隔离膜选择聚乙烯隔膜，将堆叠后的芯包和铝塑包装壳再次进行真空干燥，在将芯包置于铝塑包装壳中进行封装的同时植入锂金属参比电极，确保锂金属靠近负极片边缘且与正负极片绝缘。将封装结束的芯包注入电解液(EC/EMC/DCE＝1:1:1，LiFP6＝1mol/L)，经过抽真空、二次封装、静置、预充、除气、化成、老化等工序，制成锂离子二次电池。
将制备完成的电池，在25℃条件下，进行倍率充放电测试，充电倍率按照每次0.1C的梯度进行增加，恒流充电至电池上限电压后转入恒压充电，恒压充电截止电流为0.05C，每次放电均按照1C电流进行恒流放电至电池下限电压，充电和放电之间间隔30分钟。充放电过程中采集电池正极vs参比电极、负极vs参比电极和正极vs负极的电压曲线。
在电池恒流充电的过程中，负极电位(负极vs参比电极电势差)持续降低，直至恒流充电末期负极电位达到最低值，而后随着恒压充电的进行，负极电位逐渐升高，最终在恒压充电末期接近稳定。如果在充电过程中负极电位小于0V，就意味着电池在该倍率下充电有析锂的风险，因此我们就将在充电过程中负极电位不小于0V的最大电流的充电倍率定义为该电池的最大充电倍率。
表2不同负极材料及负极片设计理论计算与实际结果对比
Figure BDA0002925065570000121
Figure BDA0002925065570000131
通过表2中不同负极材料及负极片设计电池计算和测试的结果可以看出，由单组分负极材料制作的电池(对比例1-对比例4)，其相同孔隙率和其他设计条件下，能量密度的发挥略低于二元体系和三元体系，其实测的最大充电倍率也略低于理论计算的最大充电倍率。这是由于单组份材料虽然达到了理论设计的孔隙率，但由于极片内部不是最优化的堆积方式，其内部孔径大小不均一，导致在同等设计条件下性能不能够有效的发挥。而二元体系(实施例1-实施例10)和三元体系(实施例11-实施例20)制作的电池，其实测的最大充电倍率与理论计算的最大充电倍率较为接近。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种负极片的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.选择属于同类材料具有不同粒径的多类颗粒作为负极片材料，模拟得到具有不同负极片的孔隙率时多类颗粒的体积百分含量；
b.按公式1计算电池最大充电倍率，
Max charge rate＝＝2.78*P*(0.5*C-0.2*L+S/6+10*R-7.47) 公式1，
其中S为颗粒的比表面积加权平均值，C为颗粒表面无定形碳的包覆量加权平均值，P为负极片的孔隙率，L为负极片的单层涂覆量，R为电池的N/P比。
2.根据权利要求1所述的负极片的设计方法，其特征在于：所述颗粒的粒径≤25μm，颗粒的比表面积≤6m2/g，颗粒表面无定形碳的包覆量为0-6％，负极片的孔隙率为17％-40％，负极片的单层涂覆量≤24mg/cm2，电池的N/P比为1.01-1.25。
3.根据权利要求1所述的负极片的设计方法，其特征在于，步骤a中模拟多类颗粒的体积百分含量的方法包括以下步骤：
a.根据公式2计算第一颗粒的理论占用体积，
V1＝1/(1+P) 公式2；
b.根据公式3计算第二颗粒的理论占用体积，
V2＝1-V1 公式3；
c.当N＞2时，根据公式4计算第N颗粒的理论占用体积，
VN＝VN-1*P 公式4；
d.根据公式5计算颗粒的百分含量，
DN＝VN/(V1+V2+V3+.....+VN) 公式5。
4.根据权利要求1所述的负极片的设计方法，其特征在于：所述负极片材料包括第一颗粒、第二颗粒、第三颗粒及第四颗粒，所述第二颗粒、第三颗粒、第四颗粒的平均粒径与第一颗粒的平均粒径的比值分别为：0.4-0.7、0.2-0.4、0.1-0.2。
5.根据权利要求1所述的负极片的设计方法，其特征在于：所述负极片材料包括碳材料、硅基材料、锡基材料、钛酸锂中的一种或多种的混合物，其中，碳材料包括石墨、软碳、硬碳、碳纤维、中间相碳微球中的一种或多种的混合物；石墨包括人造石墨、天然石墨中的一种或两种的混合物；硅基材料包括单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅合金中的一种或多种的混合物；锡基材料包括单质锡、锡氧化合物、锡合金中的一种或多种的混合物。
6.根据权利要求1所述的负极片的设计方法，其特征在于：所述负极片材料还包括导电剂及粘结剂，所述导电剂占负极片的体积百分含量为0.5％-3％，所述粘结剂占负极片的体积百分含量为2％-5％，所述导电剂包括导电石墨、导电炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯或VGCF中的一种或多种的混合物，所述粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯及其共聚物、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸钠、聚酰亚胺、海藻酸钠中的一种或多种的混合物，优选的，所述导电剂占负极片的体积百分含量为1％-2％，所述粘结剂占负极片的体积百分含量为3％-4％。
7.一种锂电池，包括正极片、负极片、电解液及隔膜，其特征在于：应用了如权利要求1-6任一所述的负极片的设计方法。
8.根据权利要求7所述的锂电池，其特征在于：所述正极片的材质为LixCoO2(0.5﹤x﹤1.3)、LixNiO2(0.5﹤x﹤1.3)、LixMnO2(0.5﹤x﹤1.3)、LixMn2O4(0.5﹤x﹤1.3)、Lix(NiaCobMnc)O2(0.5﹤x﹤1.3，0﹤a﹤1，0﹤b﹤1，0﹤c﹤1，a+b+c＝1)、LixNi1-yCoyO2(0.5﹤x﹤1.3，0﹤y﹤1)、LixCo1- yMnyO2(0.5﹤x﹤1.3，0≤y﹤1)、LixNi1-yMnyO2(0.5﹤x﹤1.3，0≤y﹤1)、Lix(NiaCobMnc)O4(0.5﹤x﹤1.3，0﹤a﹤2，0﹤b﹤2，0﹤c﹤2，a+b+c＝2)、LixMn2-zNizO4(0.5﹤x﹤1.3，0﹤z﹤2)、LixMn2-zCozO4(0.5﹤x﹤1.3，0﹤z﹤2)、LixCoPO4(0.5﹤x﹤1.3)、LixFePO4(0.5﹤x﹤1.3)中的一种或多种的混合物。
9.根据权利要求7所述的锂电池，其特征在于：所述电解液包括有机溶剂及锂盐，所述有机溶剂为丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯和丙酸丁酯、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯、碳酸二丙酯、二甲亚砜、乙腈、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、碳酸亚乙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯、亚硫酸亚丙酯、四氢呋喃中的一种或多种的混合物，所述锂盐的阴离子为F-、Cl-、Br-、I-、NO3 -、N(CN)2 -、BF4 -、ClO4 -、PF6 -、(CF3)2PF4 -、(CF3)3PF3 -、(CF3)4PF2 -、(CF3)5PF-、(CF3)6P-、CF3SO3 -、CF3CF2SO3 -、(CF3SO2)2N-、(FSO2)2N-、CF3CF2(CF3)2CO-、(CF3SO2)2CH-、(SF5)3C-、(CF3SO2)3C-、CF3(CF2)7SO3 -、CF3CO2 -、CH3CO2 -、SCN-和(CF3CF2SO2)2N-中的一种或多种的混合物。
10.根据权利要求7所述的锂电池，其特征在于：所述隔膜的材质为乙烯均聚物、丙烯均聚物、乙烯/丁烯共聚物、乙烯/己烯共聚物和乙烯/甲基丙烯酸酯共聚物、高熔点玻璃纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维中的一种。
CN202110130622.6A 2021-01-29 2021-01-29 一种负极片的设计方法及锂电池 Active CN112951339B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110130622.6A CN112951339B (zh) 2021-01-29 2021-01-29 一种负极片的设计方法及锂电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110130622.6A CN112951339B (zh) 2021-01-29 2021-01-29 一种负极片的设计方法及锂电池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112951339A true CN112951339A (zh) 2021-06-11
CN112951339B CN112951339B (zh) 2022-10-18

Family

ID=76240274

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110130622.6A Active CN112951339B (zh) 2021-01-29 2021-01-29 一种负极片的设计方法及锂电池

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112951339B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113517419A (zh) * 2021-06-30 2021-10-19 浙江锋锂新能源科技有限公司 一种负极材料、负极浆料、电芯、快充电池及其制备方法
CN113764618A (zh) * 2021-09-18 2021-12-07 天津市捷威动力工业有限公司 一种锂离子电池负极极片及其制备方法与应用

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130065138A1 (en) * 2010-05-18 2013-03-14 Koji Takahata Method for negative electrode active material evaluation and negative electrode active material
CN103107335A (zh) * 2011-10-05 2013-05-15 三星Sdi株式会社 负极活性物质和包括所述负极活性物质的锂电池
CN106229479A (zh) * 2016-08-18 2016-12-14 深圳市贝特瑞新能源材料股份有限公司 一种锂离子电池用活性炭复合负极材料、制备方法及锂离子电池
CN107925083A (zh) * 2016-02-05 2018-04-17 株式会社Lg化学 负极活性材料和包含其的二次电池
CN108680863A (zh) * 2018-04-18 2018-10-19 星恒电源股份有限公司 一种锂离子电池最大充电电流的测量方法
CN109286020A (zh) * 2018-08-21 2019-01-29 宁德时代新能源科技股份有限公司 负极极片及二次电池
CN109841823A (zh) * 2019-03-19 2019-06-04 宁德新能源科技有限公司 负极材料及使用其的电化学装置和电子装置
CN111048758A (zh) * 2019-12-17 2020-04-21 惠州亿纬锂能股份有限公司 一种表面包覆多孔氧化物的正极材料、其制备方法和用途
CN111384388A (zh) * 2018-12-29 2020-07-07 安普瑞斯（南京）有限公司 一种高能量密度锂离子电池
US20200328427A1 (en) * 2019-04-09 2020-10-15 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Lithium ion battery

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130065138A1 (en) * 2010-05-18 2013-03-14 Koji Takahata Method for negative electrode active material evaluation and negative electrode active material
CN103107335A (zh) * 2011-10-05 2013-05-15 三星Sdi株式会社 负极活性物质和包括所述负极活性物质的锂电池
CN107925083A (zh) * 2016-02-05 2018-04-17 株式会社Lg化学 负极活性材料和包含其的二次电池
CN106229479A (zh) * 2016-08-18 2016-12-14 深圳市贝特瑞新能源材料股份有限公司 一种锂离子电池用活性炭复合负极材料、制备方法及锂离子电池
CN108680863A (zh) * 2018-04-18 2018-10-19 星恒电源股份有限公司 一种锂离子电池最大充电电流的测量方法
CN109286020A (zh) * 2018-08-21 2019-01-29 宁德时代新能源科技股份有限公司 负极极片及二次电池
CN111384388A (zh) * 2018-12-29 2020-07-07 安普瑞斯（南京）有限公司 一种高能量密度锂离子电池
CN109841823A (zh) * 2019-03-19 2019-06-04 宁德新能源科技有限公司 负极材料及使用其的电化学装置和电子装置
US20200328427A1 (en) * 2019-04-09 2020-10-15 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Lithium ion battery
CN111048758A (zh) * 2019-12-17 2020-04-21 惠州亿纬锂能股份有限公司 一种表面包覆多孔氧化物的正极材料、其制备方法和用途

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
吴关: ""锂离子电池正极材料LiFePO_4与LiNi_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2的制备、改性及电化学性能研究"", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)工程科技Ⅱ辑》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113517419A (zh) * 2021-06-30 2021-10-19 浙江锋锂新能源科技有限公司 一种负极材料、负极浆料、电芯、快充电池及其制备方法
CN113764618A (zh) * 2021-09-18 2021-12-07 天津市捷威动力工业有限公司 一种锂离子电池负极极片及其制备方法与应用
CN113764618B (zh) * 2021-09-18 2023-10-13 天津市捷威动力工业有限公司 一种锂离子电池负极极片及其制备方法与应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN112951339B (zh) 2022-10-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110785886B (zh) 锂二次电池
CN111052456B (zh) 用于锂二次电池的负极和包括该负极的锂二次电池
US9985291B2 (en) Cathode active material for lithium-sulfur battery and manufacturing method therefor
CN108172823B (zh) 富锂锰材料、锂离子电池正极材料、锂离子电池正极片、锂离子电池及其制备方法
JP5311157B2 (ja) リチウム二次電池
US20200067125A1 (en) Negative electrode plate and secondary battery
US20150349330A1 (en) Positive active material and lithium-ion secondary battery
JP2017062911A (ja) 非水電解質二次電池用電極、及び非水電解質二次電池
KR20140013885A (ko) 리튬 이온 이차 전지
KR20140099715A (ko) 이차 전지용 바인더, 상기 바인더를 포함하는 양극 및 이차 전지
CN112563563A (zh) 复合固态电解质、固态电池及其制备方法
CN112951339B (zh) 一种负极片的设计方法及锂电池
CN114899360A (zh) 一种硅基负极极片、二次电池及用电装置
JPWO2011052122A1 (ja) 非水電解質二次電池用集電体、電極、及び非水電解質二次電池、並びにその製造方法
US20060251963A1 (en) Non-aqueous electrolyte secondary battery
CN106133952A (zh) 非水电解质二次电池
CN102097623B (zh) 锂电池用正极活性材料及其制造方法、正极和锂电池
KR20220015222A (ko) 리튬 이차 전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR102542291B1 (ko) 이차전지용 음극의 제조방법
KR20240017066A (ko) 전지 양극 재료 및 그 응용
KR102036665B1 (ko) 음극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
CN104137301A (zh) 含有聚合物颗粒的电化学电池用隔片
KR20150001816A (ko) 집전체, 전극 구조체, 비수전해질 전지 및 축전 부품
JP7236039B2 (ja) 非水電解液蓄電デバイスおよび非水電解液蓄電デバイスの製造方法
US20230290955A1 (en) Carbon-based conductive agent, secondary battery, and electrical device

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20240729

Address after: 313100 Green Intelligent Manufacturing Industrial Park, South Taihu industrial cluster, Changxing County Development Zone, Huzhou City, Zhejiang Province

Patentee after: Jiewei Power (Changxing) Co.,Ltd.

Country or region after: China

Address before: No.11, Kaiyuan Road, automobile industrial zone, Xiqing District, Tianjin 300380

Patentee before: TIANJIN EV ENERGIES Co.,Ltd.

Country or region before: China

TR01 Transfer of patent right