CN114447270A - 一种负极极片、电池和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种负极极片、电池和电子设备。该负极极片包括负极活性物质层，负极活性物质层包括负极活性物质，其中，负极活性物质的粒径D90、负极活性物质层的膜层密度PD以及负极活性物质层的面密度CW之间满足关系式5≤D90*PD*CW≤450。在本申请中，通过使负极极片的负极活性物质的粒径D90、负极活性物质层的膜层密度PD以及负极活性物质层的面密度CW满足上述关系式，可以使应用有该负极极片的电池获得比较优异的快充性能，从而可有利于满足电子设备的续航要求。
Description
技术领域
本申请涉及电池技术领域，尤其涉及到一种负极极片、电池和电子设备。
背景技术
随着互联网技术的发展和电子设备的普及，用户对电子设备的需求急剧增长。而电池作为电子设备的能源核心，人们对于电池的性能也提出了更高的要求。特别是智能手机以及5G手机的问世，电池的续航问题也越来越突出。目前，通过提高电池容量来增加续航时间是最常规的思路，而快充技术则是一项更为合理的续航解决方案。
锂离子电池作为一种绿色电源，因其能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、自放电率低等优点，被广泛地应用于储能基站、消费类电子产品(例如笔记本、平板与手机等)和电动汽车等产品中。大量研究分析发现，当前锂离子电池的快充性能的技术瓶颈主要来自于负极和电解液的材料。但是，若通过材料的开发来提升电池的快充性能，由于其开发周期长以及材料本征结构的限制等因素的影响，导致其商业化进展缓慢。
基于此，提供一种能够有效提升电池的快充性能的解决方案已成为本领域技术人员亟待解决的难题。
发明内容
本申请提供了一种负极极片、电池和电子设备，以有效的提升电池的快充性能，从而满足电子设备的续航要求。
第一方面，本申请提供一种负极极片，该负极极片可以包括负极活性物质层，所述负极活性物质层包括负极活性物质，其中，负极活性物质的粒径D90、负极活性物质层的膜层密度PD以及负极活性物质层的面密度CW之间满足关系式5≤D90*PD*CW≤450。采用本申请提供的负极极片，通过使负极极片的负极活性物质的粒径D90、负极活性物质层的膜层密度PD以及负极活性物质层的面密度CW满足上述关系式，可以使应用有该负极极片的电池获得比较优异的快充性能，从而可有利于满足电子设备的续航要求。
在本申请中不对负极活性物质的材质进行限定，其示例性的可包括石墨、软碳、硬碳、硅合金和锡合金等中的至少一种。另外，负极活性物质的粒径D90可以为大于或等于3μm，且小于或等于40μm。这样可以有效的减小活性离子在负极活性物质中的传输距离，从而有利于活性离子在负极活性物质中的扩散。
在具体设置负极活性物质层的膜层密度PD时，其值可控制在大于或等于1.0g/cm3，且小于或等于1.9g/cm3的范围内，这样可有利于负极活性物质层的孔隙率的增加，从而可为电解液的存储提供更多的孔隙，其有利于提升电池的循环性能。
另外，本申请提供的负极极片的负极活性物质层的面密度CW可为大于或等于4mg/cm2，且小于或等于15mg/cm2，其可有利于负极活性物质被电解液充分浸润，并可使负极极片的能量容量满足要求，其有利于提升电池的循环性能。
在负极活性物质层中除了负极活性物质外，还可以包括负极导电剂和负极粘接剂。其中，负极活性物质层中的负极活性物质、负极导电剂和负极粘接剂的质量百分比为(80％～98.5％)：(0.5％～5％)：(1.0％～15％)，以使应用有该负极极片的电池的能量密度满足商用要求。
在本申请一个可能的实现方式中，负极导电剂可以但不限于包括导电碳、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、气相生长炭纤维、活性碳、多孔碳、乙炔黑和科琴黑中的至少一种。另外，负极粘接剂可以但不限于包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯酸和羧甲基纤维素锂中的至少一种。
负极极片除了包括上述的负极活性物质层外，还可以包括负极集流体，负极活性物质层可设置于负极集流体的至少一个表面，负极集流体可对负极活性物质层起到承载作用。在本申请中，不对负极集流体的材质进行具体限定，其示例性的可为铜箔、铝箔或钛箔等。
第二方面，本申请还提供一种电池，该电池包括正极极片、隔膜以及上述第一方面的负极极片。其中，隔膜可设置于正极极片和负极极片之间，以将正极极片和负极极片隔离。本申请提供的电池，通过使负极极片的负极活性物质的粒径D90、负极活性物质层的膜层密度PD以及负极活性物质层的面密度CW满足关系式5≤D90*PD*CW≤450，可以使电池获得比较优异的快充性能，从而可有利于满足电子设备的续航要求。
电池还可以包括壳体，在壳体内可填充有电解液，上述的正极极片、隔膜和负极极片可设置于壳体，且电解液浸润正极极片、隔膜和负极极片。
在本申请提供的电池中，电解液包括锂盐。其中，电解液中的碳酸乙烯酯的物质的量mEC和锂盐的物质的量mLi +之间的比值为mEC/mLi +<4.5。当碳酸乙烯和锂盐采用上述比值进行混合时，可以有效地调控活性离子的溶剂化结构，从而可降低脱溶剂活化能，其可有效的改善电荷转移阻抗，以达到提升充电速度的目的。
在本申请一个可能的实现方式中，电解液中还可以包括溶剂，该溶剂可以但不限于包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、羧酸甲酯、羧酸乙酯和羧酸丙酯中的至少一种。锂盐可以但不限于包括六氟磷酸锂，双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、双二氟磺酰亚胺锂和双三氟甲基磺酰亚胺锂中的至少一种。另外，锂盐在电解液中的质量占比可以为大于或等于10％，且小于或等于16％，以便锂盐能够完全溶解于溶剂，且保证电池的循环性能的同时，可以有效地降低电池的成本。
在本申请中，具体设置正极极片时，其可以包括正极集流体和正极活性物质层。其中，正极活性物质层可设置于正极集流体的至少一个表面，则正极集流体可对正极活性物质层起到承载的作用。
另外，正极活性物质层可以包括正极活性物质，所述正极活性物质包括钴酸锂、磷酸铁锂、磷酸铁钠、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒钠、磷酸钒氧锂、磷酸钒氧钠、钒酸锂、镍酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、钛酸锂以及富锂锰基材料中的至少一种。
第三方面，本申请还提供一种电子设备，该电子设备包括用电元件和上述第二方面的电池，该电池与用电元件电连接，以为用电元件提供电能。由于该电子设备的电池的快充性能以及低温放电能力较为优异，其有利于电子设备用于户外储能、短时备电以及移动储能等应用场景中，从而使电子设备的应用场景更加广泛。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的电池的工作原理示意图；
图2为本申请一实施例提供的电池在不同温度下的电化学阻抗谱；
图3为本申请一实施例提供的电池在-40℃下1.0C的放电能力对比图。
附图标记：
1-正极极片；2-负极极片；3-隔膜；4-电解液；5-活性离子。
具体实施方式
以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本申请的限制。如在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。
在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“具体的实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其它方式另外特别强调。
为了方便理解本申请实施例提供的负极极片、电池和电子设备，下面首先介绍一下其应用场景。电子设备在使用的过程中，通常需要供电装置对其进行供电。目前，各类电子设备，例如储能基站、消费类电子产品(如手机、平板或者可穿戴设备)以及电动汽车等，通常可选择锂离子电池、铅酸电池、钠电池、镁电池、铝电池以及钾电池等二次电池作为供电装置。其中，在本申请中，二次电池(rechargeable battery)又称为充电电池或蓄电池，其是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。
随着电子设备的快速发展，用户对电子设备提出了更高的要求。其中，电子设备的电池的续航问题已成为其关注的重点问题。针对这一问题，最常规的解决思路是通过增加电池的容量来延长其续航时间。但是，电池容量的增加通常会带来其体积的增大等问题，从而导致电池的续航能力的提升受限。目前，随着快充技术的逐渐成熟，其已广泛的应用于电池领域。基于此，可通过提升电池的快充性能来解决电池的续航问题。
而影响电池的快充性能的因素有很多，以锂离子电池为例，大量研究分析发现，当前锂离子电池的快充性能的技术瓶颈主要来自于负极和电解液的材料。其中，材料层面的快充性能的提升方案较多集中在石墨材料的石墨化度调控、N掺杂或无定型碳等方面。但是，材料开发的周期较长。另外，受材料本征结构所限，当充电电流过大时，活性离子扩散缓慢，极易析出成晶，导致电芯鼓胀，循环衰减，严重时甚至起火爆炸。加之材料改性对材料首次效率的影响，导致其总体商业化进展缓慢。
为了解决上述问题，本申请提供了一种通过对电池的负极极片的参数进行设计来降低电池的内阻，从而提升电池的快充性能的方案，以满足电子设备的续航要求。该方案对于电池的快充性能的提升行之有效，并且能够在保证电池的安全性的同时，可快速投入商业化使用。为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
在对本申请提供的负极极片进行介绍之前，首先对负极极片在电池充放电过程中所起到的作用进行说明。参照图1，图1为本申请一个可能的实施例提供的电池的工作原理示意图。在该实施例中，电池可以包括正极极片1、负极极片2、隔膜3、电解液4以及相应的回路。其中，正极极片1、负极极片2和隔膜3浸润至电解液4中，隔膜3位于正极极片1和负极极片2之间，以将正极极片1和负极极片2隔离，避免正极极片1与负极极片2直接接触而短路。
电池在充电时，通常可以包括以下几个步骤：
步骤一：活性离子5(例如锂离子、钠离子、钾离子、镁离子、锌离子或铝离子等)从正极极片1的晶格中脱出，不同的活性离子5在正极极片1中的迁移扩散速度不同。以锂离子为例，在本申请一个可能的实施例中，锂离子在正极极片1中的迁移扩散速度可为10-12～10-11cm/s。
步骤二：活性离子5穿过正极极片1的正极介质膜。
步骤三：活性离子5在电解液4中迁移，电解液4的离子迁移率例如可以为10-2cm/s。
步骤四：活性离子5穿过隔膜3，向负极极片2方向迁移。
步骤五：活性离子5穿过负极极片2的负极电解质介质膜，且活性离子5可在负极电解质介质膜处脱溶剂化后进入负极极片2。
值得一提的是，负极电解质介质膜通常可为固体电解质介质(solid electrolyteinterphase，SEI)膜，该SEI膜为一层带有微孔的薄膜。由于若充电速度过快会产生较高的热量，其会导致SEI膜的损坏。而SEI膜损坏后进行修复的过程中会消耗活性离子5，其会导致活性离子5的减少，从而会影响电池的充电性能。
步骤六：活性离子在负极极片2内部扩散，插入到负极极片2的晶格中。其中，活性离子5在负极极片2中的迁移扩散速度不同。仍以锂离子为例，在本申请一个可能的实施例中，锂离子在负极极片2中的迁移扩散速度可为10-13～10-12cm/s。需要说明的是，当锂离子不能向负极极片2的内部进行扩散时，就会在负极极片2的表面形成锂锂枝晶，其会引发安全问题。
可以理解的是，电池的放电过程与上述充电过程相反，主要为活性离子从负极极片2的晶格中脱出，并利用电解液4进行迁移，且穿过隔膜3后插入到正极极片1的晶格中。
另外，由上述对电池的充电过程的介绍可以理解，在快充过程中，步骤五和步骤六中涉及的活性离子在负极极片2中的扩散为影响电池充电速度的关键因素。基于此，本申请提供了一种通过控制负极极片2的设计参数，并将负极极片2的负极活性物质的粒径D90作为负极极片辊压厚度的设计依据的解决方案，以用于解决活性离子在负极极片2中扩散不足的问题，从而达到提升电池快充性能的目的。值得一提的是，D90是指一个样品的累计粒度分布数达到90％时所对应的粒径，它的物理意义是粒径小于(或大于)它的颗粒占90％。
在本申请中，负极极片可以包括负极活性物质层，该负极活性物质层可以包括负极活性物质。该负极活性物质示例性的可包括石墨、软碳、硬碳、硅合金或者锡合金等中的至少一种，在本申请中不对其类型进行具体限定。另外，负极活性物质的粒径D90、该负极活性物质层的膜层密度PD，以及负极活性物质层的面密度CW之间满足关系式5≤D90*PD*CW≤450。
需要说明的是，负极活性物质层的膜层密度PD是指负极活性物质层的重量和体积的比值。负极活性物质层的面密度CW是指负极极片中单位面积上的负极活性物质层的涂布载量。
本申请通过对负极活性物质的粒径D90、负极活性物质层的膜层密度PD，以及负极活性物质层的面密度CW的耦合关系进行控制，可以达到对负极活性物质的粒径D90的尺寸、负极活性物质层的面密度CW以及负极活性物质层的膜层密度PD进行控制的目的。
具体实施时，在本申请一个可能的实施例中，负极活性物质的粒径D90可大于或等于3μm，且小于或等于40μm。示例性的，负极活性物质的粒径D90可为5μm、8μm、15μm、23μm或30μm等。通过将负极活性物质的粒径D90在上述范围内进行选值，可以有效的减小活性离子在负极活性物质中的传输路径。
另外，在本申请中，负极活性物质层的膜层密度PD的值可控制在大于或等于1.0g/cm3，且小于或等于1.9g/cm3的范围内。示例性的，负极活性物质层的膜层密度PD可为1.1g/cm3、1.3g/cm3、1.5g/cm3或1.6g/cm3等。通过将负极活性物质层的膜层密度PD控制在上述的取值范围内，可有利于负极活性物质层的孔隙率的增加，从而可为电解液的存储提供更多的孔隙，其有利于提升电池的循环性能，从而提升电池的续航能力。
在具体设置负极活性物质层的面密度CW时，其值可为大于或等于4mg/cm2，且小于或等于15mg/cm2。示例性的，负极活性物质层的面密度CW可为6mg/cm2、7.5mg/cm2、10mg/cm2或12mg/cm2等。通过将负极活性物质层的面密度CW控制在上述的范围内，可有利于负极活性物质被电解液充分浸润，并可使负极极片的能量容量满足要求，其有利于提升电池的循环性能。
在本申请中，经过大量的实验证明，通过对负极活性物质的粒径D90的尺寸、负极活性物质层的膜层密度PD以及负极活性物质层的面密度CW进行控制，当三者满足关系式5≤D90*PD*CW≤450时，可以使电池获得比较优异的快充性能。
负极活性物质层除了包括负极活性物质外，还可以包括负极导电剂和负极粘接剂。其中，负极导电剂可以但不限于包括导电碳、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、气相生长炭纤维、活性碳、多孔碳、乙炔黑和科琴黑中的至少一种。另外，负极粘接剂可以包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯酸和羧甲基纤维素锂中的至少一种。
在本申请一个可能的实施例中，负极活性物质层中的负极活性物质、负极导电剂和负极粘接剂的质量百分比可以为(80％～98.5％)：(0.5％～5％)：(1.0％～15％)。示例性的可为80.5％:2.5％:7％、83％:2.5％:4.5％、90.5％:0.5％:9％或93.5％:1.5％:5％等。负极活性物质、负极导电剂以及负极粘接剂采用上述的质量比进行混合，可以使应用有该负极极片的电池的能量密度满足商用要求。
在本申请中，负极极片除了包括上述的负极活性物质层外，还可以包括负极集流体，该负极集流体可以但不限于为铝箔、铜箔或钛箔等。在本申请一些可能的实施例中，负极集流体的表面还可以涂覆有一些功能涂层，该功能涂层位于负极集流体和负极活性物质层之间，以用于改善负极极片的导电性能，提高应用有该负极极片的电池的安全性。其中，该功能涂层可以但不限于包括磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、富锂锰基、人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、气相生长炭纤维、活性碳、多孔碳、乙炔黑、科琴黑、导电油墨、热膨胀微球、聚乙烯、聚酰胺、聚丁二烯、乙烯丙烯酸乙酯、乙烯醋酸乙烯共聚物、氟化乙烯丙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚吡咯及其衍生物、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺、羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶中的至少一种。
上述的负极活性物质、负极导电剂以及负极粘接剂混合后可以涂覆于负极集流体的至少一个表面，并进行干燥后以在负极集流体的至少一个表面上形成负极活性物质层。
由上述实施例的介绍可以知道，电池除了包括负极极片外，还可以包括正极极片和隔膜，隔膜位于正极极片和负极极片之间。其中，正极极片可以包括正极集流体以及正极活性物质层，正极活性物质层设置于正极集流体的至少一个表面。正极集流体可以但不限于为铝箔，其可对正极活性物质层起到承载的作用。正极活性物质层可以包括正极活性物质，该正极活性物质可以但不限于包括钴酸锂、磷酸铁锂、磷酸铁钠、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒钠、磷酸钒氧锂、磷酸钒氧钠、钒酸锂、镍酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、钛酸锂以及富锂锰基材料中的至少一种。
另外，电池还可以包括壳体，上述的负极极片、正极极片和隔膜可设置于该壳体内。在该壳体内填充有电解液，电解液浸润负极极片、正极极片和隔膜。
由本申请上述实施例中对于电池的充电过程的介绍可以知道，活性离子在脱溶剂活化后进入负极极片。基于此，在本申请一个可能的实施例中，可通过降低活性离子的脱溶剂活化能，来解决活性离子在负极极片中扩散不足的问题。
具体实施时，可使电解液包括锂盐。其中，电解液中的碳酸乙烯酯(ethylenecarbonate，EC)的物质的量mEC和锂盐的物质的量mLi +之间的比值可以为mEC/mLi +<4.5。经过大量实验验证，当电解液中的碳酸乙烯酯和锂盐采用上述比值进行混合时，可以有效的调控活性离子的溶剂化结构，从而可降低脱溶剂活化能，其可有效的改善电荷转移阻抗，以达到提升充电速度的目的。
在本申请一个可能的实施例中，电解液中还可以包括溶剂，该溶剂可以但不限于包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、羧酸甲酯、羧酸乙酯和羧酸丙酯中的至少一种。当EC与锂盐的物质的量的比值小于4.5时，可以减小环状碳酸酯导致的活性离子的溶剂化结构的变化，从而可有效的降低脱溶剂活化能。这样，可使电荷转移阻抗得到有效的改善，从而可提升电池的充电速度。
在本申请中，不对锂盐的类型进行具体的限定，其可以但不限于包括六氟磷酸锂(LiPF6)，双草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、双二氟磺酰亚胺锂(LiFSI)和双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)中的至少一种。另外，锂盐在电解液中的质量占比可为大于或等于10％，且小于或等于16％，以在锂盐能够完全溶解于溶剂，且保证电池的循环性能的同时，可以有效的降低电池的成本。
在本申请一些实施例中，电解液除了包括溶剂和锂盐外，还可以包括添加剂。在本申请中，不对添加剂的具体类型进行限定，其可根据所要实现的功能进行具体选择。示例性的，可通过在电解液中添加一些添加剂，以在负极极片中形成稳定的SEI膜。
由于低温环境也会对电池的性能产生一定的影响，其主要表现为低温下电池的续航时间急剧下降。这是因为在低温环境下，电池的阻抗增加明显。可以参照图2，图2给出了一种电池在不同温度下的电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy，EIS)，该EIS是在电池处于50％的荷电状态下得到的。通过对图2中所示的电池处于不同温度下的EIS进行对比可以看出，电池在0℃下的阻抗是常温(25℃)下的阻抗的数倍。而随着阻抗的增加，容易导致电池内的局部过电势增加，最终导致在负极极片的表面生成锂枝晶，从而引发安全问题。
而经过大量的实验证明，在本申请提供的电池中，通过使负极活性物质的粒径D90的尺寸、负极活性物质层的膜层密度PD以及负极活性物质层的面密度CW满足关系式5≤D90*PD*CW≤450，且电解液中的EC的物质的量mEC和锂盐的物质的量mLi +之间的比值满足关系式mEC/mLi +<4.5时，可以使电池的低温放电能力得到有效的提升。
为了对本申请提供的用于解决电池的快充性能以及低温放电能力的方案有进一步的了解，接下来结合几组具体的实施例对其进行说明。
实施例一：
采用磷酸铁锂作为正极活性物质，铝箔作为正极集流体，在正极集流体的至少一个表面均匀涂布有正极活性物质层。其中，正极活性物质层可包括96.0wt％的磷酸铁锂、2.5wt％的聚偏氟乙烯、0.5wt％的碳纳米管和1.0wt％的导电炭黑。其可在105℃的温度下进行烘干，并经过冷压、裁切、分切以及真空干燥后得到正极极片。
另外，在该实施例中，可采用石墨作为负极活性物质，铜箔作为负极集流体，在负极集流体的至少一个表面均匀涂布有负极活性物质层。其中，负极活性物质层可包括97.4wt％的石墨、1.4wt％的丁苯橡胶和1.2wt％的羧甲基纤维素钠。其可在80℃的温度下进行烘干，并经过冷压、裁切、分切以及真空干燥后得到负极极片。
上述得到的正极极片和负极极片分别经分条后进行卷绕，其中，正极极片和负极极片之间以隔膜进行分隔，从而制备得到卷绕裸电芯。该裸电芯在经过顶侧封、喷码、真空干燥、注液、常温和高温静置等步骤后进行化成及分容，即可得到电池。
在该实施例一中，负极活性物质的粒径D90为25μm，负极活性物质层的膜片密度PD为1.6g/cm3，负极活性物质层的面密度CW为6mg/cm2。则在该实施例中，D90*PD*CW的乘积为240。另外，在该实施例提供的电池中，其电解液中的EC和锂盐的物质的量的比为3.83。
实施例二：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例二中，负极活性物质的粒径D90为25μm，负极活性物质层的膜片密度PD为1.6g/cm3，负极活性物质层的面密度CW为4mg/cm2。则在该实施例中，D90*PD*CW的乘积为160。
实施例三：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例三中，负极活性物质的粒径D90为25μm，负极活性物质层的膜片密度PD为1.6g/cm3，负极活性物质层的面密度CW为8mg/cm2。则在该实施例中，D90*PD*CW的乘积为320。
实施例四：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例四中，负极活性物质的粒径D90为25μm，负极活性物质层的膜片密度PD为1.6g/cm3，负极活性物质层的面密度CW为10mg/cm2。则在该实施例中，D90*PD*CW的乘积为400。
实施例五：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例五中，负极活性物质的粒径D90为25μm，负极活性物质层的膜片密度PD为1.6g/cm3，负极活性物质层的面密度CW为10mg/cm2。则在该实施例中，D90*PD*CW的乘积为400。
由上述对实施例一至实施例五的介绍可以知道，在实施例一至实施例五中，通过对负极活性物质层的面密度CW进行调整，来实现对D90*PD*CW的乘积的调整。但在实施例一至实施例五中，负极活性物质的粒径D90、负极活性物质层的膜片密度PD以及负极活性物质层的面密度CW均满足关系式5≤D90*PD*CW≤450。
为了对该实施例一至实施例五提供的电池的快充性能进行说明，本申请还提供了对比例一。在该对比例一中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一。不同的是，对比例一中的负极活性物质层的面密度CW为12mg/cm2，则在该实施例中，D90*PD*CW的乘积为480。则对实施例一至实施例五，以及对比例一提供的电池的快充性能以及低温放电能力的测试结果如表1所示。
表1
通过对表1中所示的实施例一至实施例五以及对比例一的电池在10min内充电所达到的荷电状态(State of charge，SOC)进行比较可以看出，对于采用磷酸铁锂作为正极活性物质，石墨作为负极活性物质的电池体系，在其它参数相同的情况下，通过调整负极活性物质层的面密度CW，当将D90*PD*CW的乘积控制在大于或等于5，且小于或等于450的范围内时，电池快充能力比较优越。
另外，可参照图3，图3展示了实施例三与对比例一的电池的低温放电能力的对比曲线图。由图3可以看出，与对比例一相比，实施例三的电池的低温放电能力较佳。并且通过将上述表1中的实施例一至实施例五与对比例一的电池在-40℃下1.0C的放电能力进行比较可以看出，实施例一至实施例五的电池的低温放电能力较佳。
实施例六：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例六中，负极活性物质的粒径D90为3μm，负极活性物质层的膜片密度PD为1.6g/cm3，负极活性物质层的面密度CW为6mg/cm2。则在该实施例中，D90*PD*CW的乘积为28.8。
实施例七：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例七中，负极活性物质的粒径D90为20μm，负极活性物质层的膜片密度PD为1.6g/cm3，负极活性物质层的面密度CW为6mg/cm2。则在该实施例中，D90*PD*CW的乘积为192。
实施例八：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例八中，负极活性物质的粒径D90为30μm，负极活性物质层的膜片密度PD为1.6g/cm3，负极活性物质层的面密度CW为6mg/cm2。则在该实施例中，D90*PD*CW的乘积为288。
实施例九：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例九中，负极活性物质的粒径D90为40μm，负极活性物质层的膜片密度PD为1.6g/cm3，负极活性物质层的面密度CW为6mg/cm2。则在该实施例中，D90*PD*CW的乘积为384。
实施例十：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例十中，负极活性物质的粒径D90为10μm，负极活性物质层的膜片密度PD为1.6g/cm3，负极活性物质层的面密度CW为6mg/cm2。则在该实施例中，D90*PD*CW的乘积为96。
由上述对实施例六至实施例十的介绍可以知道，在实施例六至实施例十中，通过对负极活性物质的粒径D90进行调整，来实现对D90*PD*CW的乘积的调整。但在实施例六至实施例十中，负极活性物质的粒径D90、负极活性物质层的膜片密度PD以及负极活性物质层的面密度CW均满足关系式5≤D90*PD*CW≤450。
为了对该实施例六至实施例十提供的电池的快充性能进行说明，本申请还提供了对比例二。在该对比例二中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一。不同的是，对比例二中的负极活性物质的粒径D90为47μm，负极活性物质层的膜片密度PD为1.6g/cm3，负极活性物质层的面密度CW为6mg/cm2。则在该实施例中，D90*PD*CW的乘积为451。则对实施例六至实施例十，以及对比例二提供的电池的快充性能以及低温放电能力的测试结果如表2所示。
表2
通过对表2中所示的实施例六至实施例十以及对比例二的电池在10min内充电所达到的SOC进行比较可以看出，对于采用磷酸铁锂作为正极活性物质，石墨作为负极活性物质的电池体系，在其它参数相同的情况下，通过调整负极活性物质的粒径D90，当将D90*PD*CW的乘积控制在大于或等于5，且小于或等于450的范围内时，电池快充能力比较优越。另外，通过将实施例六至实施例十与对比例二的电池在-40℃下1.0C的放电能力进行比较可以看出，实施例六至实施例十的低温放电能力较佳。
实施例十一：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例十一中，负极活性物质的粒径D90为30μm，负极活性物质层的膜片密度PD为1.9g/cm3，负极活性物质层的面密度CW为7mg/cm2。则在该实施例中，D90*PD*CW的乘积为399。
实施例十二：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例十二中，负极活性物质的粒径D90为30μm，负极活性物质层的膜片密度PD为1.5g/cm3，负极活性物质层的面密度CW为7mg/cm2。则在该实施例中，D90*PD*CW的乘积为325。
实施例十三：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例十三中，负极活性物质的粒径D90为30μm，负极活性物质层的膜片密度PD为1.3g/cm3，负极活性物质层的面密度CW为7mg/cm2。则在该实施例中，D90*PD*CW的乘积为273。
实施例十四：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例十四中，负极活性物质的粒径D90为30μm，负极活性物质层的膜片密度PD为1.1g/cm3，负极活性物质层的面密度CW为7mg/cm2。则在该实施例中，D90*PD*CW的乘积为231。
实施例十五：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例十五中，负极活性物质的粒径D90为30μm，负极活性物质层的膜片密度PD为1.0g/cm3，负极活性物质层的面密度CW为7mg/cm2。则在该实施例中，D90*PD*CW的乘积为210。
由上述对实施例十一至实施例十五的介绍可以知道，在实施例十一至实施例十五中，通过对负极活性物质的粒径D90进行调整，来实现对D90*PD*CW的乘积的调整。但在实施例十一至实施例十五中，负极活性物质层的膜片密度PD、负极活性物质层的面密度CW以及负极活性物质的粒径D90均满足关系式5≤D90*PD*CW≤450。
为了对该实施例十一至实施例十五提供的电池的快充性能进行说明，本申请还提供了对比例三。在该对比例三中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一。不同的是，对比例三中的负极活性物质的粒径D90为40μm，负极活性物质层的膜片密度PD为1.8g/cm3，负极活性物质层的面密度CW为7mg/cm2。则在该实施例中，D90*PD*CW的乘积为504。则对实施例十一至实施例十五，以及对比例三提供的电池的快充性能以及低温放电能力的测试结果如表3所示。
表3
通过对表3中所示的实施例十一至实施例十五以及对比例三的电池在10min内充电所达到的SOC进行比较可以看出，对于采用磷酸铁锂作为正极活性物质，石墨作为负极活性物质的电池体系，在其它参数相同的情况下，通过调整负极活性物质的粒径D90，当将D90*PD*CW的乘积控制在大于或等于5，且小于或等于450的范围内时，电池快充能力比较优越。另外，通过将实施例十一至实施例十五与对比例三的电池在-40℃下1.0C的放电能力进行比较可以看出，实施例十一至实施例十五的低温放电能力较佳。
在上述实施例中，对于使负极活性物质的粒径D90、负极活性物质层的膜片密度PD以及负极活性物质层的面密度CW满足关系式5≤D90*PD*CW≤450时，通过调整负极活性物质的粒径D90、负极活性物质层的膜片密度PD以及负极活性物质层的面密度CW这三个参数的值，以对本申请提供的电池的快充性能以及低温放电能力进行了说明。而由本申请前述实施例对于影响电池的快充性能的因素的分析可以知道，电解液中的EC与锂盐的物质的量的比对于电池的快充性能也有一定的影响。接下来以锂盐为LiPF6为例，对于电解液中的EC与锂盐的物质的量的比对于电池的快充性能的影响进行说明。
实施例十六：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例十六中，电解液中EC的物质的量占比为20％，LiPF6的物质的量占比为12.5％。则在该实施例中，EC与LiPF6的物质的量的比mEC/mLi +为2.76。
实施例十七：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例十七中，电解液中EC的物质的量占比为15％，LiPF6的物质的量占比为11.5％。则在该实施例中，EC与LiPF6的物质的量的比mEC/mLi +为2.25。
实施例十八：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例十八中，电解液中EC的物质的量占比为30％，LiPF6的物质的量占比为13.5％。则在该实施例中，EC与LiPF6的物质的量的比mEC/mLi +为3.83。
实施例十九：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例十九中，电解液中EC的物质的量占比为30％，LiPF6的物质的量占比为12.5％。则在该实施例中，EC与LiPF6的物质的量的比mEC/mLi +为4.14。
由上述对实施例十六至实施例十九的介绍可以知道，在实施例十六至实施例十九中，通过对电解液中EC和LiPF6的物质的量占比进行调整，来实现对二者的物质的量的比值的调整。但在实施例十六至实施例十九中，电解液中EC和LiPF6的物质的量的比mEC/mLi +均满足关系式mEC/mLi +<4.5。
为了对该实施例十六至实施例十九提供的电池的快充性能进行说明，本申请还提供了对比例四。在该对比例四中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一。不同的是，对比例四中的电解液中EC的物质的量占比为40％，LiPF6的物质的量占比为13.5％。则在该实施例中，EC与LiPF6的物质的量的比mEC/mLi +为5.11。则对实施例十六至实施例十九，以及对比例四提供的电池的快充性能以及低温放电能力的测试结果如表4所示。
表4
通过对表4中所示的实施例十六至实施例十九以及对比例四的电池在10min内充电所达到的SOC进行比较可以看出，对于采用磷酸铁锂作为正极活性物质，石墨作为负极活性物质的电池体系，在其它参数相同的情况下，通过调整通过对电解液中EC和LiPF6的物质的量的占比，当将二者的物质的量的比控制在小于4.5的范围内时，电池快充能力比较优越。另外，通过将实施例十六至实施例十九与对比例四的电池在-40℃下1.0C的放电能力进行比较可以看出，实施例十六至实施例十九的低温放电能力较佳。
需要说明的是，在本申请上述实施例一至实施例十九，以及对比例一至对比例四中，均以采用磷酸铁锂作为正极活性物质，石墨作为负极活性物质的电池体系的快充性能以及低温放电能力进行的说明。接下来通过对几种采用不同的正极活性物质或负极活性物质的电池进行测试分析，以对不同的活性物质对电池的快充性能以及低温放电能力的影响进行说明。
实施例二十：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例二十中，正极活性物质为镍钴锰酸锂。
实施例二十一：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例二十一中，正极活性物质为钴酸锂。
实施例二十二：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例二十二中，正极活性物质为磷酸锰铁锂。
实施例二十三：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例二十三中，正极活性物质为镍钴铝酸锂。
实施例二十四：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例二十四中，负极活性物质为质量比为95:5的石墨和硅碳的复合物。
实施例二十五：
在该实施例中，正极极片、负极极片和电池的组成以及制备方法均可参照上述实施例一，不同的是，在实施例二十五中，正极活性物质为硬碳。
值得一提的是，在上述实施例二十至实施例二十五中，负极活性物质的粒径D90、负极活性物质层的膜片密度PD以及负极活性物质层的面密度CW满足关系式5≤D90*PD*CW≤450，且电解液中的EC与LiPF6的物质的量的比为mEC/mLi +<4.5。则对实施例二十至实施例二十五提供的电池的快充性能以及低温放电能力的测试结果如表5所示。
表5
由表5可以看出，对于采用不同种类的正极活性物质和负极活性物质的电池体系，当负极活性物质的粒径D90、负极活性物质层的膜片密度PD以及负极活性物质层的面密度CW满足关系式5≤D90*PD*CW≤450，且电解液中的EC与LiPF6的物质的量的比为mEC/mLi +<4.5时，电池均具有较为优异的快充性能和低温放电能力。
需要说明的是，在上述各个实施例中，对于负极活性物质层的厚度和重量，以及电池的能量密度、快充性能以及-40℃低温放电能力等的测试方法均相同，以保证对各个电池的快充性能以及-40℃低温放电能力的比较的有效性。在本申请一个可能的实施例中，在对负极活性物质层的厚度进行测量时，可以在负极活性物质层的不同位置(例如左、中、右)各取相同数量的多个(例如5个)点。然后采用螺旋测微器等测厚仪器对其进行厚度的测量，并取平均值作为负极活性物质层的厚度。
另外，在对负极活性物质层的重量进行测量时，可以在负极活性物质层的不同位置(例如左、中、右)各冲切出相同数量的小圆片，该小圆片的面积相同，示例性的可为1540.25mm2。然后采用万分天平秤等测重仪器对其进行称重，并取平均值作为负极活性物质层的单位面积的重量。
可以理解的是，当需要获得正极活性物质层的厚度以及重量时，其可参照上述对负极活性物质层的厚度以及重量的测试方式进行测量，在此不进行赘述。
当对电池的能量密度进行测试时，在本申请一个可能的实施例中，可以将电池置于25℃恒温箱中，并静置30分钟。然后以0.5C恒流充电至电压为3.65V，之后以3.65V恒压充电至电流为0.025C，并以0.5C放电至电压为2.5V，记录放电能量。其中，能量密度＝放电能量/电池的重量，以此计算得到能量密度。
本申请一个可能的实施例提供了一种电池的快充性能的测试方法，具体实施时，可以将电池置于25℃恒温箱中，并静置30分钟。然后以8.0C恒流充电至电压为3.65V，再以3.65V恒压充电至0.025C。这样，可通过记录电池充电到不同SOC时所用的时间，来对电池的快充性能进行判断。
另外，对于电池的-40℃低温放电能力进行测试时，可以将电池置于25℃恒温箱中，并静置30分钟。然后以0.5C恒流充电至电压为3.65V，再以3.65V恒压充电至电流为0.025C。之后将电池转入-40℃低温箱，稳定4h，再以1.0C放电至电压为2.0V，记录放电容量及能量。其中，低温放电比率＝-40℃1C放电容量/25℃0.5C放电容量。这样，可根据计算得到的低温放电比率对电池的-40℃低温放电能力进行判断。
综合上述实施例一至实施例二十五，对比例一至对比例四，以及表1至表5的测试结果可以知道，在本申请中，兼顾电池的能量密度的前提下，使负极活性物质的粒径D90、负极活性物质层的膜片密度PD以及负极活性物质层的面密度CW满足关系式5≤D90*PD*CW≤450，并使电解液中的EC与锂盐的物质的量的比小于4.5，可以使电池的动力学性能得到有效的提升，从而使其具有较为优异的快充性能以及低温放电能力。
值得一提的是，本申请提供的通过对负极极片以及电解液中的参数进行设计来降低电池的内阻，从而提升电池的快充性能的方案除了可以应用于锂电池外，也可以应用于铅酸电池、钠电池、镁电池、锌电池、铝电池以及钾电池等其它可能的电池中，其具体可参照上述实施例对于锂电池中的负极极片以及电解液的参数进行设计，在此不进行赘述。
另外，本申请上述各实施例中提供的电池可以但不限于应用于电子装置、电动车辆或电力储存系统等电子设备中。其中，电子装置例如可为使用电池作为驱动电源的各种电脑、手机、显示屏等设备。电动车辆例如可为利用电池作为驱动电源的电动汽车、电动三轮车、电动自行车等。电力储存系统例如可以为利用电池作为电力储存源的电力储存系统。
在这些电子设备中，电池可与用电元件电连接，以为用电元件提供电能。由于本申请提供的电池的快充性能以及低温放电能力较为优异，这样有利于电子设备用于户外储能、短时备电以及移动储能等应用场景中，从而使电子设备的应用场景更加广泛。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (17)
1.一种负极极片，其特征在于，包括负极活性物质层，所述负极活性物质层包括负极活性物质，其中：
所述负极活性物质的粒径D90、所述负极活性物质层的膜层密度PD以及负极活性物质层的面密度CW之间满足关系式5≤D90*PD*CW≤450。
2.如权利要求1所述的负极极片，其特征在于，所述负极活性物质的粒径D90大于或等于3μm，且小于或等于40μm。
3.如权利要求1或2所述的负极极片，其特征在于，所述负极活性物质层的膜层密度PD为大于或等于1.0g/cm3，且小于或等于1.9g/cm3。
4.如权利要求1～3任一项所述的负极极片，其特征在于，所述负极活性物质层的面密度CW为大于或等于4mg/cm2，且小于或等于15mg/cm2。
5.如权利要求1～4任一项所述的负极极片，其特征在于，所述负极活性物质包括石墨、软碳、硬碳、硅合金和锡合金中的至少一种。
6.如权利要求1～5任一项所述的负极极片，其特征在于，所述负极活性物质层还包括负极导电剂和负极粘接剂，所述负极活性物质层中的所述负极活性物质、所述负极导电剂和所述负极粘接剂的质量百分比为(80％～98.5％)：(0.5％～5％)：(1.0％～15％)。
7.如权利要求6所述的负极极片，其特征在于，所述负极导电剂包括导电碳、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、气相生长炭纤维、活性碳、多孔碳、乙炔黑和科琴黑中的至少一种。
8.如权利要求6或7所述的负极极片，其特征在于，所述负极粘接剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯酸和羧甲基纤维素锂中的至少一种。
9.一种电池，其特征在于，包括正极极片、隔膜以及如权利要求1～8任一项所述的负极极片，其中，所述隔膜位于所述正极极片和所述负极极片之间。
10.如权利要求9所述的电池，其特征在于，所述电池还包括壳体，所述壳体填充有电解液，所述正极极片、所述负极极片和所述隔膜设置于所述壳体，且所述电解液浸润所述正极极片、所述负极极片和所述隔膜。
11.如权利要求10所述的电池，其特征在于，所述电解液包括锂盐，所述电解液中碳酸乙烯酯的物质的量mEC和所述锂盐的物质的量mLi +之间的比值为mEC/mLi +<4.5。
12.如权利要求11所述的电池，其特征在于，所述电解液还包括溶剂，所述溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、羧酸甲酯、羧酸乙酯和羧酸丙酯中的至少一种。
13.如权利要求11或12所述的电池，其特征在于，所述锂盐包括六氟磷酸锂，双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、双二氟磺酰亚胺锂和双三氟甲基磺酰亚胺锂中的至少一种。
14.如权利要求11～13任一项所述的电池，其特征在于，所述锂盐在所述电解液中的质量占比为大于或等于10％，且小于或等于16％。
15.如权利要求9～14任一项所述的电池，其特征在于，所述正极极片包括正极集流体和正极活性物质层，所述正极活性物质层设置于所述正极集流体的至少一个表面。
16.如权利要求15所述的电池，其特征在于，所述正极活性物质层包括正极活性物质，所述正极活性物质包括钴酸锂、磷酸铁锂、磷酸铁钠、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒钠、磷酸钒氧锂、磷酸钒氧钠、钒酸锂、镍酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、钛酸锂以及富锂锰基材料中的至少一种。
17.一种电子设备，其特征在于，包括用电元件以及如权利要求9～16任一项所述的电池，所述电池与所述用电元件电连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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