CN113036074B - 电池负极及其加工方法和电池 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种电池负极及其加工方法和电池，电池负极应用于电池，且电池负极包括：基层和多孔碳附加物。通过为电池负极设置基层和设置于基层的多孔碳附加物，并使多孔碳附加物的孔状结构的嵌合配合面积大于基层的沉积结构的嵌合配合面积，使得电池负极通过多孔碳附加物中嵌合配合面积较大的孔状结构，改变了离子电池中例如锂离子、钠离子等离子的沉积机理，增加了离子沉积空间，因而提升了锂离子、钠离子等离子在电池负极脱嵌效率，避免离子沉积形成枝晶，进而提升了电池的充电效率和使用安全性。

Description

电池负极及其加工方法和电池

技术领域

本公开涉及电池技术领域，尤其涉及电池负极及其加工方法和电池。

背景技术

在相关技术中，例如手机等电子设备通常使用离子电池的充放电实现续航，锂离子电池充电倍率一般为0.5C，电池完成充电的时间一般在2小时以上，无法实现快充需求。若直接提高充电倍率会导致锂离子会富集到负极表面形成锂枝晶，存在刺破隔膜、引起电池短路等隐患。因此，如何避免锂枝晶的形成、提升电池的充电效率和使用安全成为当前领域的热点研究问题。

发明内容

本公开提供一种电池负极及其加工方法和电池，以提升电池的充电效率和使用安全性。

根据本公开的第一方面提出一种电池负极，所述电池负极包括：基层和多孔碳附加物，所述多孔碳附加物设置于所述基层；所述多孔碳附加物包括用于嵌合来自电池正极的正离子的多个孔状结构；所述基层包括用于嵌合来自电池正极的正离子的沉积结构，所述孔状结构的嵌合配合面积大于所述沉积结构的嵌合配合面积。

可选的，所述多孔碳附加物包括竹炭微球、碳纤维微球、碳纳米管微球、乙炔黑微球中的一种。

可选的，所述多孔碳附加物压合在所述基层表面。

可选的，所述多孔碳附加物分布在所述基层内。

可选的，所述多孔碳附加物的含量与所述基层组成物的含量关联，且所述多孔碳附加物的含量占所述基层组成物的含量百分比范围包括1％-25％。

可选的，所述基层的材料包括石墨、软碳、硬碳中至少一种。

根据本公开的第二方面提出一种电池，所述电池包括：电池正极、电解质和所述电池负极。

可选的，所述电解质为液态电解质，所述电池还包括隔膜；所述隔膜包括基础膜层和设置在所述基础膜层上的石墨烯层；所述石墨烯层设置在面对所述电池负极的一侧，所述基础膜层设置在背对所述电池负极的一侧。

可选的，所述电解质为固体电解质，所述电解质包括基础电解质层和设置在所述基础电解质层上的石墨烯层；所述石墨烯层设置在面对所述电池负极的一侧，所述基础电解质层设置在背对所述电池负极的一侧。

可选的，所述石墨烯层包括N层石墨烯堆叠片层，其中，1≤N≤10。

可选的，所述电池负极还包括锂粉层和金属集流体，所述锂粉层设置在所述金属集流体内侧，且与所述金属集流体相邻。

根据本公开的第三方面提出一种电池负极的加工方法，所述电池负极的加工方法用于加工所述电池负极，所述电池负极的加工方法包括：

制备多孔碳附加物材料；

将所述多孔碳附加物材料设置于所述电池负极的基层，以形成所述电池负极。

可选的，所述多孔碳附加物材料为竹炭微球、碳纤维微球、碳纳米管微球、乙炔黑微球中的一种。

可选的，制备多孔碳附加物材料，包括：

将竹炭、碳纤维、碳纳米管和乙炔黑中的一种均匀分散于预设溶剂中，以形成不含表面活性剂的分散液；

对所述分散液进行喷雾干燥，以得到相应的所述多孔碳附加物材料。

可选的，所述喷雾干燥的条件包括：进风温度为100℃～300℃、出风温度为50℃～200℃以及喷雾速度范围为1毫升/分钟到100升/小时。

可选的，将所述多孔碳附加物材料设置于所述电池负极的基层，包括：

获得所述基层材料与所述多孔碳附加物材料的混合物浆料；

将所述混合物料浆料涂覆于金属集流体上，形成所述电池负极。

可选的，将所述多孔碳附加物材料设置于所述电池负极的基层，包括：

将所述多孔碳附加物材料散布在所述基层表面；

使用压力复合方式将所述多孔碳附加物材料压合于所述基层表面。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开通过为电池负极设置基层和设置于基层的多孔碳附加物，并使多孔碳附加物的孔状结构的嵌合配合面积大于基层的沉积结构的嵌合配合面积，使得电池负极通过多孔碳附加物中嵌合配合面积较大的孔状结构，改变了离子电池中例如锂离子、钠离子等离子的沉积机理，增加了离子沉积空间，因而提升了锂离子、钠离子等离子在电池负极脱嵌效率，避免离子沉积形成枝晶，进而提升了电池的充电效率和使用安全性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是本公开一示例性实施例中一种电池负极的结构示意图；

图2是本公开另一示例性实施例中一种电池负极的结构示意图；

图3是本公开一示例性实施例中一种电池负极加工方法的流程图；

图4是本公开一示例性实施例中一种将多孔碳附加物材料设置于基层的方法流程图；

图5是本公开另一示例性实施例中一种将多孔碳附加物材料设置于基层的方法流程图；

图6是本公开另一示例性实施例中一种电池的结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在相关技术中，例如手机等电子设备通常使用离子电池的充放电实现续航，锂离子电池充电倍率一般为0.5C，电池完成充电的时间一般在2小时以上，无法实现快充需求。若直接提高充电倍率会导致锂离子会富集到负极表面形成锂枝晶，存在刺破隔膜、引起电池短路等隐患，降低了电池的充电效率和使用安全性。

图1是本公开一示例性实施例中一种电池负极的结构示意图；图2是本公开另一示例性实施例中一种电池负极的结构示意图。如图1、图2所示，电池负极1包括：基层11和多孔碳附加物12。多孔碳附加物12设置于基层11，多孔碳附加物12包括用于嵌合来自电池正极的正离子的多个孔状结构，基层11包括用于嵌合来自电池正极的正离子的沉积结构，孔状结构的嵌合配合面积大于沉积结构的嵌合配合面积。

需要说明的是，上述电池负极1可以应用于锂电池、钠电池等多种类型的电池，当电池负极1用于锂电池时，多孔碳附加物12可以是亲锂性更好的材料；当电池负极1用于钠电池时，多孔碳附加物12可以是亲钠性更好的材料。

其中，多孔碳附加物12可以是竹炭微球、碳纤维微球、碳纳米管微球、乙炔黑微球中的一种。竹炭微球、碳纤维微球、碳纳米管微球和乙炔黑微球等碳微球包含微米级的二次粒子，具有较小的比表面积，较大的压实密度。即，竹炭微球、碳纤维微球、碳纳米管微球和乙炔黑微球等碳微球结构的孔状结构多，提供更多的锂离子或钠离子空间，因而提升了电池的充电效率。或者，多孔碳附加物12也可以是符合嵌合配合面积大于基层11沉积结构的嵌合配合面积的其他多孔碳材料，本公开并不对此进行限制。

通过为电池负极1设置基层11和设置于基层11的多孔碳附加物12，并使多孔碳附加物12的孔状结构的嵌合配合面积大于基层11的沉积结构的嵌合配合面积，使得电池负极1通过多孔碳附加物12中嵌合配合面积较大的孔状结构，改变了离子电池中例如锂离子、钠离子等离子的沉积机理，增加了离子沉积空间，因而提升了锂离子、钠离子等离子在电池负极1脱嵌效率，避免离子沉积形成枝晶，进而提升了电池的充电效率和使用安全性。

需要说明的是，基层11的材料可以是石墨、软碳、硬碳中的至少一种，其中，石墨的种类可以是针状焦人造石墨，也可以是其他种类的石墨，本公开并不对基层11材料的种类进行限制。此外，可以使多孔碳附加物12的含量与基层11组成物的含量关联，且多孔碳附加物12的含量占基层11组成物的含量百分比范围包括1％-25％，即，多孔碳附加物12的质量为基层11组成物质量的1％-25％。通过上述多孔碳附加物12与基层11的比例关系，使得多孔碳附加物12与基层11对于电池负极1的功能得到调和，避免多孔碳附加物12与基层11材料比例失调所带来的相互功能干扰和影响。或者，多孔碳附加物12的含量占基层11组成物的含量百分比范围还可以是根据电池需求设置的其他数值，本公开并不对此进行限制。

关于将多孔碳附加物12设置于基层11的方式可以有以下两种：

在如图1所示实施例中，多孔碳附加物12分布在基层11内。将多孔碳附加物12分散设置于基层11内，例如通过将多孔碳附加物材料和基层材料的混合浆料涂覆在金属集流体13上形成电池负极1，增加了多孔碳附加物12与基层11组成物之间的混合均匀性，当电池正极的锂离子或钠离子到达电池负极1后，能够与均匀分布在基层11内的多孔碳附加物12中的孔状结构嵌合，进一步避免了来自电池正极的锂离子或钠离子在某一处沉积形成枝晶。

在如图2所示实施例中，基层11设置在金属集流体13上，多孔碳附加物12压合在基层11表面形成多孔碳附加物层。当电池正极的锂离子或钠离子到达电池负极1后，能够直接嵌合在位于基层11表面的多孔碳附加物12中，从而快速高效的实现电池充电。

其中，上述金属集流体13可以是铜箔。

在下述电池负极1的加工方法中会对多孔碳附加物12压合在基层11表面以及多孔碳附加物12分布在基层11内的加工方法进行示例性说明：

本公开进一步提出一种电池负极的加工方法，电池负极的加工方法用于加工上述电池负极。图3是本公开一示例性实施例中一种电池负极加工方法的流程图。如图3所示，电池负极的加工方法可以通过以下步骤实现：

在步骤S301中，制备多孔碳附加物材料。

其中，多孔碳附加物材料可以是为竹炭微球、碳纤维微球、碳纳米管微球、乙炔黑微球中的一种。

制备多孔碳附加物材料的过程可以通过喷雾干燥的方法实现。首先，将竹炭、碳纤维、碳纳米管和乙炔黑中的一种均匀分散于预设溶剂中，以形成不含表面活性剂的分散液。而后，对分散液进行喷雾干燥，以得到相应的多孔碳附加物材料。

上述喷雾干燥的条件可以是：进风温度为100℃～300℃、出风温度为50℃～200℃以及喷雾速度范围为1毫升/分钟到100升/小时。喷雾速度可以根据具体的喷雾设备和干燥需求进行设置，本公开并不对此进行限制。

进一步的，预设溶剂可以是有机溶剂和/或无机溶剂，例如，预设溶剂为水、氨水、盐酸、乙醇、丙酮和异丙醇中的至少一种。特别的，可以基于预设比例的水和乙醇、预设比例的水和盐酸形成上述预设溶剂。

在步骤S302中，将多孔碳附加物材料设置于电池负极的基层，以形成电池负极。

通过将多孔碳附加物设置于基层，使得电池负极通过多孔碳附加物中嵌合配合面积较大的孔状结构，改变了离子电池中例如锂离子、钠离子等离子的沉积机理，增加了离子沉积空间，因而提升了锂离子、钠离子等离子在电池负极脱嵌效率，避免离子沉积形成枝晶，进而提升了电池的充电效率和使用安全性。

图4是本公开一示例性实施例中一种将多孔碳附加物材料设置于基层的方法流程图。在图3所示实施例的基础上，图4所示实施例进一步对将多孔碳设置于基层的方法进行描述，如图4所示，将多孔碳附加物材料设置于基层，以使多孔碳附加物分布在基层内，可以通过以下步骤实现：

在步骤S401中，获得基层材料与多孔碳附加物材料的混合物浆料。

在步骤S402中，将混合物料浆料涂覆于金属集流体上，形成电池负极。

将基层材料与多孔碳附加物材料混合后得到包含基层材料和多孔碳附加物材料的混合物浆料，基于混合物浆料的液态属性便于通过搅拌等方式将多孔碳附加物材料与基层材料混合均匀。而后，将混合物浆料涂覆在金属集流体上形成电池负极，增加了多孔碳附加物与基层组成物之间的混合均匀性。当电池正极的锂离子或钠离子到达电池负极后，能够与均匀分布在基层内的多孔碳附加物中的孔状结构嵌合，进一步避免了来自电池正极的锂离子或钠离子在某一处沉积形成枝晶。

其中，上述金属集流体可以是铜箔。

图5是本公开另一示例性实施例中一种将多孔碳附加物材料设置于基层的方法流程图。在图3所示实施例的基础上，图5所示实施例进一步对将多孔碳设置于基层的方法进行描述，如图5所示，将多孔碳附加物材料设置于电池负极的基层，以使多孔碳附加物压合在基层表面，可以通过以下步骤实现：

在步骤S501中，将多孔碳附加物材料散布在基层表面。

在步骤S502中，使用压力复合方式将多孔碳附加物材料压合于基层表面。

多孔碳附加物散布在基层表面，直接通过压力复合将多孔碳附加物材料压合在基层表面，提升了工艺的简易性，便于操作实现。当电池正极的锂离子或钠离子到达电池负极后，能够直接嵌合在位于基层表面的多孔碳附加物中，从而快速高效的实现电池充电。

本公开进一步提出一种电池2，电池2包括：电池正极21、电解质22和上述电池负极23。上述电池2的电解质22可以是固态也可以是液态，下面以电解质22为固态和液态两种情况为例，对电池2的结构和工作原理进行示例性说明：

在一实施例中，电解质22为液态电解质，电池2还包括隔膜。隔膜包括基础膜层和设置在基础膜层上的石墨烯层，石墨烯层设置在面对电池负极23的一侧，基础膜层设置在背对电池负极23的一侧。其中，基础膜层可以是PE(polyethylene，聚乙烯)、PP(polypropylene，聚丙烯)等聚烯烃(Polyolefin)类材料。通过为隔膜设置石墨烯层，并使该石墨烯层设置在面对电池负极23的一侧，增加了隔膜在朝向电池负极23一侧的强度、硬度和韧性。当电池负极23的锂离子或钠离子等沉积形成枝晶，并朝向隔膜延伸时，设置在隔膜该侧的石墨烯层能够避免被枝晶刺穿而造成电池2短路，因而进一步保障了电池2的使用安全性。

其中，石墨烯层包括N层石墨烯堆叠片层，其中，1≤N≤10。即，通过大于等于1层且小于等于10层的石墨烯堆叠片层的堆叠形成了整体石墨烯层，一方面增加了石墨烯层的硬度，另一方面确保了电池2中锂离子或钠离子的通过。石墨烯堆叠片层的颗粒度可控，且石墨烯堆叠片层颗粒的直径可以是1微米到100微米之间的任一数值，本公开并不对此进行限制。

在另一实施例中，电解质22为固体电解质，电解质22包括基础电解质层和设置在基础电解质层上的石墨烯层，石墨烯层设置在面对电池负极23的一侧，基础电解质层设置在背对电池负极23的一侧。基础电解质层可以为聚合物固态电解质、氧化物固态电解质、硫化物固态电解质等。通过为固体电解质设置石墨烯层，并使该石墨烯层设置在面对电池负极23的一侧，增加了固体电解质在朝向电池负极23一侧的强度、硬度和韧性。当电池负极23的锂离子或钠离子等沉积形成枝晶，并朝向隔膜延伸时，设置在固体电解质该侧的石墨烯层能够避免被枝晶刺穿而造成电池2短路，因而进一步保障了电池2的使用安全性。

其中，石墨烯层包括N层石墨烯堆叠片层，其中，1≤N≤10。即，通过大于等于1层且小于等于10层的石墨烯堆叠片层的堆叠形成了整体石墨烯层，一方面增加了石墨烯层的硬度，另一方面确保了电池2中锂离子或钠离子的通过。上述石墨烯堆叠片层的颗粒度可控，且石墨烯堆叠片层颗粒的直径可以是1微米到100微米之间的任一数值，本公开并不对此进行限制。

需要说明的是，电池2可以是固态或液态锂电池2、固态或液态钠离子电池2等，下面以电池2为固态锂金属电池2为例，对电池2的结构做进一步描述：

如图6所示，电池2包括电池正极21、电池负极23和固体电解质22，其中固体电解质22设置在电池正极21和电池负极23之间，电池负极23包括多孔碳附加物层231、锂粉层232和金属集流体233，锂粉层232设置在金属集流体233内侧，且与金属集流体233相邻。

多孔碳附加物层231可在快速放电时提供物理储锂空间，多孔碳附加物的孔状结构使得电池负极23通过多孔碳附加物中嵌合配合面积较大的孔状结构将离子电池2中例如锂离子、钠离子等离子的沉积机理改变为在物理空间上的嵌合，因而增加了离子沉积空间，提升了锂离子、钠离子等离子在电池负极23脱嵌效率，避免离子沉积形成枝晶，进而提升了电池2的充电效率和使用安全性。当多孔碳附加物层231的材料为碳纳米管微球时，碳纳米管微球的亲锂特性能够促进锂离子的沉积，减缓锂枝晶的形成。

锂粉能够提升电池2的能量密度，使电池2在体积一定的情况下包含更多的能量。其中，锂粉层232包含的锂粉颗粒外可以包覆有惰性膜层，在提供高能量密度的同时，使得固态锂金属电池易制备，也提高了固态锂金属电池2制备过程的安全性。

在上述电池2的使用过程中，充电时，电池正极21上的电子经过外部电路24到电池负极23，锂离子Li⁺从电池正极21到电解质22中，经过固体电解质上的孔隙到达电池负极23，与从电池正极21到电池负极23的电子结合在一起。即，Li⁺从电池正极21脱嵌，经过电解质22嵌入电池负极23的多孔碳附加物层231的孔状结构中。放电时，电子从电池负极23多孔碳附加物层231的孔状结构经过外部电路24到电池正极21，锂离子Li⁺从负极23的多孔碳附加物层231中脱嵌，而后进入电解质22，经过电解质22上的孔隙到达电池正极21，与从电池负极23到电池正极21的电子结合在一起。

其中，上述金属集流体233可以是铜箔。电池正极21可以是钴酸锂、锰酸锂等包含锂离子的材料。

上述电池2还可以包括快充电路，以通过快充电路并基于上述包含多孔碳附加物的电池负极23实现对电池2的快速充电，提升充电效率。

上述电池2可以组装于手机、平板电脑、车载终端、医疗终端等电子设备，以通过充放电为电子设备续航，通过上述电池2的结构设置提升了电子设备的充电效率、快充体验和使用安全性。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的技术方案后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (12)

1.一种电池负极，其特征在于，应用于电池，所述电池负极包括：基层和多孔碳附加物，所述多孔碳附加物设置于所述基层；所述多孔碳附加物包括用于嵌合来自电池正极的正离子的多个孔状结构；所述基层包括用于嵌合来自电池正极的正离子的沉积结构，所述孔状结构的嵌合配合面积大于所述沉积结构的嵌合配合面积；

所述多孔碳附加物压合在所述基层表面形成多孔碳附加物层；其中，所述多孔碳附加物包括包含微米级二次离子的碳微球；所述基层的材料包括石墨、软碳、硬碳中至少一种。

2.根据权利要求1所述的电池负极，其特征在于，所述多孔碳附加物包括竹炭微球、碳纤维微球、碳纳米管微球、乙炔黑微球中的一种。

3.根据权利要求1所述的电池负极，其特征在于，所述多孔碳附加物的含量与所述基层组成物的含量关联，且所述多孔碳附加物的含量占所述基层组成物的含量百分比范围包括1％-25％。

4.一种电池，其特征在于，包括：电池正极、电解质和如权利要求1-3任一项所述的电池负极。

5.根据权利要求4所述的电池，其特征在于，所述电解质为液态电解质，所述电池还包括隔膜；所述隔膜包括基础膜层和设置在所述基础膜层上的石墨烯层；所述石墨烯层设置在面对所述电池负极的一侧，所述基础膜层设置在背对所述电池负极的一侧。

6.根据权利要求4所述的电池，其特征在于，所述电解质为固体电解质，所述电解质包括基础电解质层和设置在所述基础电解质层上的石墨烯层；所述石墨烯层设置在面对所述电池负极的一侧，所述基础电解质层设置在背对所述电池负极的一侧。

7.根据权利要求5或6所述的电池，其特征在于，所述石墨烯层包括N层石墨烯堆叠片层，其中，1≤N≤10。

8.根据权利要求4所述的电池，其特征在于，所述电池负极还包括锂粉层和金属集流体，所述锂粉层设置在所述金属集流体内侧，且与所述金属集流体相邻。

9.一种电池负极的加工方法，其特征在于，用于加工如权利要求1-3任一项所述的电池负极，所述电池负极的加工方法包括：

制备多孔碳附加物材料；

将所述多孔碳附加物材料设置于所述电池负极的基层，以形成所述电池负极；将所述多孔碳附加物材料设置于所述电池负极的基层，包括：将所述多孔碳附加物材料散布在所述基层表面；使用压力复合方式将所述多孔碳附加物材料压合于所述基层表面。

10.根据权利要求9所述的电池负极的加工方法，其特征在于，所述多孔碳附加物材料为竹炭微球、碳纤维微球、碳纳米管微球、乙炔黑微球中的一种。

11.根据权利要求10所述的电池负极的加工方法，其特征在于，制备多孔碳附加物材料，包括：

将竹炭、碳纤维、碳纳米管和乙炔黑中的一种均匀分散于预设溶剂中，以形成不含表面活性剂的分散液；

对所述分散液进行喷雾干燥，以得到相应的所述多孔碳附加物材料。

12.根据权利要求11所述的电池负极的加工方法，其特征在于，所述喷雾干燥的条件包括：进风温度为100℃～300℃、出风温度为50℃～200℃以及喷雾速度范围为1毫升/分钟到100升/小时。

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