CN114094046A - 一种锂离子电池和电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种锂离子电池和电子装置。本发明第一方面提供一种锂离子电池，包括卷绕成形的负极片，负极片包括靠近卷绕中心的第一区和远离卷绕中心的第二区，位于第一区的负极片包括负极集流体、设置在负极集流体靠近卷绕中心的表面的第一负极活性层以及设置在负极集流体远离卷绕中心的表面的第三负极活性层；位于第二区的负极片包括负极集流体、依次层叠设置在负极集流体靠近卷绕中心的表面的第一负极活性层和第二负极活性层以及设置在负极集流体远离卷绕中心的表面的第三负极活性层。本发明提供的锂离子电池具有较好的循环性能。

Description

一种锂离子电池和电子装置
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池和电子装置，涉及电化学技术领域。
背景技术
由于锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、可快速充电、环境友好等优点，因此在各领域得到了广泛的应用。根据锂离子电池制备工艺的不同，可以将其分为卷绕电池和叠片电池，其中，卷绕电池是指由正极片、隔膜和负极片依次层叠后由内向外卷绕成形的电池，因其具有高倍率放电能力和优秀的高低温性能而备受关注。
在常规的卷绕电池中，负极片包括负极集流体和设置在负极集流体表面的负极活性层，然而根据正极片的设置方式和极片的卷绕方式，位于负极集流体一个表面的负极活性层的长度大于另一个表面的负极活性层的长度，导致负极片部分区域出现单面负极活性层，对于这种结构的锂离子电池来说，单面负极活性层在循环后容易出现析锂问题，严重影响锂离子电池的循环性能。
发明内容
本发明提供一种锂离子电池，用于缓解单面负极活性层析锂的问题，提高锂离子电池的循环性能。
本发明还提供一种电子装置，其包括上述锂离子电池。
本发明第一方面提供一种锂离子电池，包括卷绕成形的负极片，所述负极片包括靠近卷绕中心的第一区和远离卷绕中心的第二区；
位于所述第一区的负极片包括负极集流体、设置在负极集流体靠近卷绕中心的表面的第一负极活性层以及设置在负极集流体远离卷绕中心的表面的第三负极活性层；
位于所述第二区的负极片包括负极集流体、依次层叠设置在负极集流体靠近卷绕中心的表面的第一负极活性层和第二负极活性层以及设置在负极集流体远离卷绕中心的表面的第三负极活性层。
如上述锂离子电池，所述第一负极活性层的长度与所述第三负极活性层的长度相同。
如上述锂离子电池，所述第一负极活性层的厚度为a、所述第二负极活性层的厚度为b，所述第三负极活性层的厚度为c，0＜(a+c)/(a+b+c)＜1。
如上述锂离子电池，所述第一负极活性层和第二负极活性层的总厚度与所述第三负极活性层的厚度相同。
如上述锂离子电池，所述第一负极活性层和第二负极活性层均包括第一负极活性物质。
如上述锂离子电池，所述第三负极活性层包括第一负极活性物质。
如上述锂离子电池，所述第一负极活性层包括第一负极活性物质，所述第二负极活性层包括第二负极活性物质。
如上述锂离子电池，所述第三负极活性层包括第一负极活性物质或第二负极活性物质。
如上述锂离子电池，所述第三负极活性层包括第四负极活性层和第五负极活性层，所述第四负极活性层和第五负极活性层依次层叠设置在负极集流体远离卷绕中心的表面，所述第四负极活性层包括第一负极活性物质，所述第五负极活性层包括第二负极活性物质。
本发明第二方面提供一种电子装置，包括上述任一所述的锂离子电池。
本发明的实施，至少具有以下优势：
1、本发明通过设置第一负极活性层，有助于改善单面负极活性层析锂的问题，提高锂离子电池的循环性能。
2、本发明通过控制第一负极活性层的厚度，可有效缓解锂离子电池能量密度的损失，从而兼顾锂离子电池的循环性能和能量密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中锂离子电池的卷绕示意图；
图2为现有技术中负极片的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的锂离子电池的卷绕示意图；
图4为本发明一实施例提供的负极片的结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的负极片的俯视图；
图6为本发明一实施例提供的负极片的局部放大图；
图7为本发明又一实施例提供的负极片的局部放大图。
附图标记说明：
101-正极集流体；
102-正极活性层；
201-负极集流体；
202-负极活性层；
1-第一区；
2-第二区；
2021-第一负极活性层；
2022-第二负极活性层；
2023-第三负极活性层；
2024-第四负极活性层；
2025-第五负极活性层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为现有技术中锂离子电池的卷绕示意图，如图1所示，锂离子电池包括由内向外卷绕成形的正极片、隔膜(图中未示出)和负极片，正极片包括正极集流体101和设置在正极集流体至少一个表面的正极活性层102，负极片包括负极集流体201和设置在负极集流体至少一个表面的负极活性层202，本领域技术人员知晓，集流体为薄片状，具有两个相对的用于承载活性层的表面，具体为集流体的上表面和下表面，活性层是锂离子电池中进行电化学反应的部分，活性层包括活性物质，活性层和活性物质分为正极和负极，通过锂离子在正极活性物质和负极活性物质之间的嵌入和脱出完成充放电循环过程，隔膜位于正极片和负极片之间，用于隔绝正极片和负极片发生接触短路。
将图1所示锂离子电池中的负极片拉直后即可得到图2所示的负极片，如图2所示，负极片包括负极集流体201和设置在负极集流体两个表面的负极活性层202，为了便于表述，将负极集流体靠近卷绕中心的表面称为C面，远离卷绕中心的表面称为A面，且位于负极集流体C面的负极活性层的长度小于位于A面的负极活性层的长度，导致负极片靠近卷绕中心的部分区域出现单面负极活性层，单面负极活性层是指，在负极集流体靠近卷绕中心的部分区域，一个表面不设置负极活性层而另一个表面设置负极活性层(即图2虚线框出的部分)，对于这种结构的负极片来说，单面负极活性层在循环后容易出现析锂问题，影响锂离子电池的循环性能。
为了解决上述问题，本发明第一方面提供一种锂离子电池，包括卷绕成形的负极片，所述负极片包括靠近卷绕中心的第一区和远离卷绕中心的第二区；
位于所述第一区的负极片包括负极集流体、设置在负极集流体靠近卷绕中心的表面的第一负极活性层以及设置在负极集流体远离卷绕中心的表面的第三负极活性层；
位于所述第二区的负极片包括负极集流体、依次层叠设置在负极集流体靠近卷绕中心的表面的第一负极活性层和第二负极活性层以及设置在负极集流体远离卷绕中心的表面的第三负极活性层。
图3为本发明一实施例提供的锂离子电池的卷绕示意图，图4为本发明一实施例提供的负极片的结构示意图，图5为本发明一实施例提供的负极片的俯视图，如图3-5所示，负极片沿卷绕方向包括靠近卷绕中心的第一区1和远离卷绕中心的第二区2，且第一区1和第二区2相邻设置，此外，可以根据电池的设计需要，负极片还可以包括空箔区等其他区域，本发明在此不作限制；位于第一区1的负极片包括负极集流体201、设置在负极集流体靠近卷绕中心的表面的第一负极活性层2021以及设置在负极集流体远离卷绕中心的表面的第三负极活性层2023；位于第二区2的负极片包括负极集流体2021、依次层叠设置在负极集流体2021靠近卷绕中心的表面的第一负极活性层2021和第二负极活性层2022以及设置在负极集流体远离卷绕中心的表面的第三负极活性层2023，由于第一区1和第二区2相邻设置，位于第一区和第二区的第一负极活性层2021和第三负极活性层2023首尾相连，也就是说，本发明提供的负极片，在图2所示的负极片的基础上，在单面负极活性层对应的另一个表面也涂覆活性物质得到负极活性层，从而减少负极片中单面负极活性层的覆盖面积，在锂离子电池的循环过程中，从正极活性物质中脱出的锂离子，部分会随着电解液扩散至第一区的第一负极活性层中，从而提高负极片的嵌锂量，同时也有助于提高位于第一区的第三负极活性层的剥离强度，从而改善单面负极活性层析锂的问题，提高锂离子电池的循环性能，但由于位于第一区的第一负极活性层为锂离子电池提供的容量较少，因此，考虑到锂离子电池的能量密度，其厚度不宜过高，即位于第一区的第一负极活性层的厚度低于第二区中第一负极活性层和第二负极活性层的总厚度。
为了进一步缓解单面负极活性层析锂的问题，提高锂离子电池的循环性能，所述第一负极活性层的长度与所述第三负极活性层的长度相同，继续参考图4，所述第一负极活性层2021的长度与所述第三负极活性层2023的长度相同，即负极片中不存在单面负极活性层。
在上述实施方式中，由于增大了负极集流体表面负极活性层的覆盖面积，势必会对锂离子电池的能量密度造成影响，经发明人研究发现，第一负极活性层的厚度对于单面负极活性层的析锂问题影响不是很明显，因此，可以通过控制第一负极活性层的厚度缓解锂离子电池能量密度的损失，具体地，所述第一负极活性层的厚度为a、所述第二负极活性层的厚度为b，所述第三负极活性层的厚度为c，0＜(a+c)/(a+b+c)＜1。
图6为本发明一实施例提供的负极片的局部放大图，如图6所示，第一负极活性层2021的厚度为a、第二负极活性层2022的厚度为b，第三负极活性层2023的厚度为c，0＜(a+c)/(a+b+c)＜1。
根据本领域常规负极片的设计，所述第一负极活性层和第二负极活性层的总厚度与所述第三负极活性层的厚度相同，即(a+b)＝c。
本领域技术人员可根据常规技术手段制备得到负极片，例如，将负极活性物质、导电剂、粘结剂和分散剂分散在溶剂中制备得到负极活性层浆料，并均匀涂布在负极集流体的两个表面，经烘干、辊压后得到负极片。针对本发明提供的负极片，本领域技术人员可以根据实际生产需要，制备活性物质相同或不同的第一负极活性层浆料和第二负极活性层浆料，并依次或同时涂布在负极集流体的一个表面，得到第一负极活性层和第二负极活性层；或者，也可以涂布完整的负极活性层，随后对部分负极活性层进行清洗得到第一负极活性层和第二负极活性层。
在一种具体实施方式中，所述第一负极活性层和第二负极活性层均包括第一负极活性物质，即第一负极活性层和第二负极活性层的材料相同，制备过程中，将第一负极活性物质、导电剂、粘结剂和分散剂分散在溶剂中制备得到负极活性层浆料，并采用双层涂布机，控制上层出料口的出料时间，涂布得到第一负极活性层和第二负极活性层。
为了简化制备工艺，所述第三负极活性层包括第一负极活性物质，制备过程中，将包含第一负极活性物质的负极活性层浆料均匀涂布在负极集流体的A面，制备得到第三负极活性层。
在另一种具体实施方式中，所述第一负极活性层包括第一负极活性物质，所述第二负极活性层包括第二负极活性物质，即制备过程中，第一负极活性层和第二负极活性层的材料不同，具体地，将第一负极活性物质、导电剂、粘结剂和分散剂分散在溶剂中制备得到第一负极活性层浆料，将第二负极活性物质、导电剂、粘结剂和分散剂分散在溶剂中制备得到第二负极活性层浆料，并采用双层涂布机，涂布得到第一负极活性层和第二负极活性层。
相应的，第三负极活性层可以选用上述两种负极活性物质中的一种或两种，例如，所述第三负极活性层包括第一负极活性物质或第二负极活性物质；又例如，第三负极活性层也包括材料不同的两层负极活性层，即所述第三负极活性层包括第四负极活性层和第五负极活性层，所述第四负极活性层和第五负极活性层依次层叠设置在负极集流体远离卷绕中心的表面，所述第四负极活性层包括第一负极活性物质，所述第五负极活性层包括第二负极活性物质。
图7为本发明又一实施例提供的负极片的局部放大图，如图7所示，第三负极活性层包括第四负极活性层2024和第五负极活性层2025，第四负极活性层2024位于靠近负极集流体201一侧，第五负极活性层2025位于远离负极集流体201的一侧，与设置在负极集流体201C面的负极活性层相同，第四负极活性层2024包括第一负极活性物质，第五负极活性层2025包括第二负极活性物质，制备过程中，首先分别制备得到第一负极活性层浆料和第二负极活性层浆料，并采用双层涂布工艺均匀涂布在负极集流体的两个表面，需要注意的是，在进行C面涂布时，需控制上层出料口的出料时间，制备得到长度不同的第一负极活性层和第二负极活性层。
负极活性层浆料可采用本领域常规材料进行制备，一般情况下，负极活性层浆料包括负极活性物质、导电剂、粘结剂和分散剂，具体地，负极活性物质选自现有材料中的一种或两种以上，例如石墨、硬炭、软炭、硅中的一种或多种；导电剂可以选自炭黑、乙炔黑、石墨烯、科琴黑、碳纤维中的一种或多种；粘结剂选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯中的一种或多种；分散剂可以为羧甲基纤维素钠或羧甲基纤维素锂。
在制备得到负极片的基础上，本领域技术人员可根据常规技术手段搭配正极片和隔膜，按照一定的卷绕方式卷绕得到卷芯，并使用铝塑膜对卷芯进行包装，烘烤去除水分后注入电解液，采用热压化成工艺化成得到锂离子电池。本领域技术人员可根据本领域常规技术手段进行，本发明对此不再详细阐述。
综上，本发明通过设置第一负极活性层，有助于改善单面负极活性层析锂的问题，提高锂离子电池的循环性能。
本发明第二方面提供一种电子装置，该电子装置包括本发明第一方面提供的锂离子电池。本发明对电子装置的种类不作限定，具体可以包括但不限于手机、台式电脑、笔记本电脑、动力汽车、电动自行车、数码照相机、智能家电等。
以下结合具体实施例对本发明提供的锂离子电池进行详细阐述：
实施例1
本实施例提供的锂离子电池具有图3所示的结构，包括正极片和负极片，其中，正极片包括正极集流体和正极活性层，正极活性层包括97.6质量份的正极活性物质钴酸锂、1.1质量份的导电剂炭黑和1.3质量份的粘结剂聚偏氟乙烯；负极片具有图4所示的结构，包括负极集流体铜箔、依次层叠设置在负极集流体C面的第一负极活性层和第二负极活性层，以及设置在负极集流体A面第三负极活性层；
第一负极活性层和第二负极活性层、第三负极活性层均包括97.3质量份的负极活性物质石墨、0.5质量份的导电剂炭黑、1.3质量份的粘结剂聚偏氟乙烯和0.9质量份的分散剂羧甲基纤维素钠；
第一负极活性层的厚度为10μm，第二负极活性层的厚度为40μm，第三负极活性层的厚度为50μm。
本实施例提供的锂离子电池的制备方法包括如下步骤：
负极片的制备方法包括：1、将负极活性物质、导电剂、粘结剂和分散剂按照上述质量比加入到搅拌罐中，加入去离子水制备得到固含量为43.5％负极活性层浆料；2、使用双层涂布机涂布，将负极活性层浆料涂布在负极集流体铜箔的两个表面，其中，负极集流体的C面采用双层涂布工艺，将负极活性层浆料放置于双层涂布机的两个出料口，控制出料时间，涂布得到第一负极活性层和第二负极活性层，负极集流体的第二表面A面采用单层涂布工艺，涂布得到第三负极活性层；3、将制备的负极片在100℃温度下烘干，然后通过辊压，分切成条得到负极片。
正极片的制备方法包括：将正极活性物质、导电剂炭黑和粘结剂聚偏氟乙烯分散至NMP溶剂中制备得到固含量为72.5％的正极活性层浆料，利用涂布机将正极活性层浆料涂覆到铝箔的两个表面上，在120℃温度下烘干8h，烘干后先分切成小条，然后通过辊压机压实得到正极片；
将正极片、隔膜和负极片一起卷绕形成卷芯，卷绕方式如图3所示，随后用铝塑膜包装，烘烤去除水分后注入电解液，采用热压化成工艺化成后制备得到。
实施例2
本实施例提供的锂离子电池可参考实施例1，区别在于第一负极活性层的厚度为20μm，第二负极活性层的厚度为30μm。
对比例1
本对比例提供的锂离子电池具有图1所示的结构，负极片具有如图2所示的结构，负极集流体C面的负极活性层厚度为50μm，负极集流体A面的负极活性层厚度为50μm。
对实施例1-2以及对比例1提供的锂离子电池的能量密度、析锂情况、容量保持率和循环膨胀率进行测试，测试结果如表1所示：
能量密度的测试方法包括：在25℃条件下进行0.5C/0.2C充放电测试电芯容量，按照容量*电压/厚度/宽度/高度，计算锂离子电池的能量密度(Wh/L)；
析锂情况的测试方法包括：在25℃条件下进行1C/0.5C循环，并在不同循环次数下拆解锂离子电池确认负极片相应位置的析锂情况；
容量保持率测试方法包括：测试锂离子电池的初始容量Q1，并在25℃，1C/0.5C下循环1000T，测试循环后锂离子电池的容量Q2，容量保持率(％)＝Q2/Q1*100％；
循环膨胀率测试方法包括：测试锂离子电池厚度P1，并在25℃，1C/0.5C下循环1000T，测试循环后锂离子电池的厚度P2，循环膨胀率(％)＝(P2-P1)/P1*100％。
表1实施例1-2以及对比例1提供的锂离子电池的测试结果
Figure BDA0003366731520000091
根据表1可知，实施例1-2提供的锂离子电池未发生析锂问题，并且实施例1-2提供的锂离子电池的容量保持率明显高于对比例1，膨胀率也明显低于对比例1，说明本发明有助于改善单面负极活性层析锂的问题，提高锂离子电池的循环性能；根据实施例1-2提供的数据可知，第一负极活性层厚度的增大，会导致锂离子电池能量密度的降低，但循环性能较好，在实际操作过程中，需调节第一负极活性层的厚度范围，以兼顾锂离子电池的循环性能和能量密度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种锂离子电池，其特征在于，包括卷绕成形的负极片，所述负极片包括靠近卷绕中心的第一区和远离卷绕中心的第二区；
位于所述第一区的负极片包括负极集流体、设置在负极集流体靠近卷绕中心的表面的第一负极活性层以及设置在负极集流体远离卷绕中心的表面的第三负极活性层；
位于所述第二区的负极片包括负极集流体、依次层叠设置在负极集流体靠近卷绕中心的表面的第一负极活性层和第二负极活性层以及设置在负极集流体远离卷绕中心的表面的第三负极活性层。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一负极活性层的长度与所述第三负极活性层的长度相同。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一负极活性层的厚度为a、所述第二负极活性层的厚度为b，所述第三负极活性层的厚度为c，0＜(a+c)/(a+b+c)＜1。
4.根据权利要求1-3任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一负极活性层和第二负极活性层的总厚度与所述第三负极活性层的厚度相同。
5.根据权利要求1-4任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一负极活性层和第二负极活性层均包括第一负极活性物质。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，所述第三负极活性层包括第一负极活性物质。
7.根据权利要求1-4任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一负极活性层包括第一负极活性物质，所述第二负极活性层包括第二负极活性物质。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，所述第三负极活性层包括第一负极活性物质或第二负极活性物质。
9.根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，所述第三负极活性层包括第四负极活性层和第五负极活性层，所述第四负极活性层和第五负极活性层依次层叠设置在负极集流体远离卷绕中心的表面，所述第四负极活性层包括第一负极活性物质，所述第五负极活性层包括第二负极活性物质。
10.一种电子装置，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的锂离子电池。
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