CN114497440A - 一种负极片及包括该负极片的电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种负极片及包含该负极片的电池,所述负极片包括集流体、第一活性物质层和第二活性物质层,所述第一活性物质层包括第一负极活性物质,所述第一负极活性物质的长径比为3~5;所述第二活性物质层包括第二负极活性物质的长径比为1~2。所述负极片的使用提高了电池在大倍率条件下的循环性能,通过采用不同长径比的负极活性物质搭配,构筑有效的液相锂离子扩散通道,可显著提高电芯的倍率性能及能量密度,并进一步解决了负极片靠近隔膜表面电位更低所导致的析锂问题。
Description
技术领域
本发明属于二次电池技术领域,尤其涉及一种负极片及包括该负极片的电池。
背景技术
电池自从商业化以来,由于它的比能量高、循环性能好,被广泛用于数码、储能、动力、军用航天和通讯设备等领域。随着锂离子电池的广泛应用,消费者对锂离子电池的使用环境、充电速度、续航时间、需求不断提升,同时对电子设备的续航能力要求越来越高,这就要求锂离子电池可以同时兼顾倍率性能和能量密度。但是,随着充电速度的提高,在大倍率充电情况下,负极易出现析锂等问题。
发明内容
为了改善现有技术的不足,本发明提供了一种负极片及包括该负极片的电池,所述负极片可以提升电池的倍率性能和能量密度,同时有效解决在大倍率、高能量密度的极片设计情况下,由于极化及电解液浓度不均导致负极片利用率低下,表面析锂,影响电池使用的问题。
本发明目的是通过如下技术方案实现的:
一种负极片,所述负极片包括集流体、第一活性物质层和第二活性物质层,所述第一活性物质层设置在集流体的至少一侧表面上,所述第二活性物质层设置在第一活性物质层的表面上;
所述第一活性物质层包括第一负极活性物质,所述第一负极活性物质的长径比为3~5;
所述第二活性物质层包括第二负极活性物质,所述第二负极活性物质的长径比为1~2。
本发明中,所述的长径比是指经过负极活性物质颗粒内部的最长径(即为负极活性物质的长轴)a和与它相垂直的最长径b之比,具体的如图1所示,可以通过图像测试软件对负极活性物质颗粒的SEM截面电镜表征而得到。
根据本发明的实施方式,所述第一负极活性物质的长径比为3、3.5、4、4.5或5,所述第一负极活性物质具有较大的长径比(3~5),使其在制作成负极片的辊压过程中排列有序,且负极活性物质颗粒之间的孔隙较小,可有效提高极片的空间利用率,提升电芯的能量密度。当长径比过大(大于5)时,负极活性物质颗粒之间的孔隙变的更大,会阻碍锂离子的液相传输,当长径比过小(小于3)时,负极活性物质颗粒之间的孔隙变的更大,导致极片的空间利用率降低明显,对能量密度的提升效果不明显。
根据本发明的实施方式,所述第一负极活性物质的长轴为5μm~15μm,例如为5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm或上述两两点值组成的范围中的任意点值。
所述第一负极活性物质的长轴过长(大于15μm)时,会使电池的倍率性能变差,造成析锂,所述第一负极活性物质的长轴过短(小于5μm)时,对电池的能量密度提升不显著。
根据本发明的实施方式,所述第一负极活性物质的粒径Dv50为5μm~15μm。
根据本发明的实施方式,所述第二负极活性物质的长径比为1、1.5或2,所述第二负极活性物质具有较小的长径比(1~2),可以增加第二活性物质层锂离子液相扩散通道,提升极片利用率。当长径比过大(大于2)时,会阻碍锂离子的液相传输,当长径比过小(小于1)时,极片空间利用率不高,对能量密度提升效果不明显。
根据本发明的实施方式,所述第二负极活性物质的长轴为15μm~25μm,例如为15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm、21μm、22μm、23μm、24μm、25μm或上述两两点值组成的范围中的任意点值。
所述第二负极活性物质的长轴过长(大于25μm)时,会使电池的倍率性能变差,造成析锂,所述第二负极活性物质的长轴过短(小于15μm)时,对电池的能量密度提升不显著。
根据本发明的实施方式,所述第二负极活性物质的粒径Dv50为15μm~25μm。
根据本发明的实施方式,所述第二活性物质层的厚度h2和所述第一活性物质层的厚度h1之比h2/h1为0.1≤h2/h1≤1。研究发现,当所述h2/h1为0.1≤h2/h1≤1时,既能满足倍率性能,又能提升极片的能量密度;当h2/h1>1时,第二负极活性物质较多,即大颗粒较多,极片的倍率性能较差;当h2/h1<0.1时,第二负极活性物质较少,即大颗粒较少,对极片表面孔隙率改善有限。
根据本发明的实施方式,所述第一活性物质层的厚度h1为10μm~100μm。
根据本发明的实施方式,所述第二活性物质层的厚度h2为10μm~100μm。
根据本发明的实施方式,所述第一活性物质层还包括第一导电剂和第一粘结剂。
根据本发明的实施方式,所述第二活性物质层还包括第二导电剂和第二粘结剂。
根据本发明的实施方式,所述第一负极活性物质和第二负极活性物质相同或不同;和/或,所述第一导电剂和第二导电剂相同或不同;和/或,所述第一粘结剂和第二粘结剂相同或不同。
其中,所述第一导电剂和第二导电剂相同或不同,彼此独立地选自导电炭黑、乙炔黑、科琴黑、导电石墨、导电碳纤维、碳纳米管、金属粉中的至少一种。
其中,所述第一粘结剂和第二粘结剂相同或不同,彼此独立地选自丁苯橡胶(SBR)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈、聚苯乙烯-丙烯酸酯、聚丙烯酸酯中的至少一种。
其中,所述第一负极活性物质和第二负极活性物质相同或不同,彼此独立地选自石墨、软碳、硬碳、硅、硅氧化合物、硅碳化合物中的至少一种。
根据本发明的实施方式,所述第一活性物质层中各组分的质量百分含量为:90-99wt%的第一负极活性物质、0.5-10wt%的第一导电剂、0.5-10wt%的第一粘结剂。
优选地,所述第一活性物质层中各组分的质量百分含量为:
92-99wt%的第一负极活性物质、0.5-4wt%的第一导电剂、0.5-4wt%的第一粘结剂。
根据本发明的实施方式,所述第二活性物质层中各组分的质量百分含量为:80-99wt%的第二负极活性物质、0.5-10wt%的第二导电剂、0.5-10wt%的第二粘结剂。
优选地,所述第二活性物质层中各组分的质量百分含量为:
92-99wt%的第二负极活性物质、0.5-4wt%的第二导电剂、0.5-4wt%的第二粘结剂。
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)分别配制形成第一活性物质层的浆料和形成第二活性物质层的浆料;
2)使用双层涂布机,将形成第一活性物质层的浆料和形成第二活性物质层的浆料涂覆在集流体的两侧表面,制备得到所述负极片。
根据本发明,步骤1)中,所述形成第一活性物质层的浆料和形成第二活性物质层的浆料的固含量为30wt%~60wt%。所述形成第一活性物质层的浆料和形成第二活性物质层的浆料粘度为2000mPa·s~7000mPa·s。
本发明还提供一种电池,所述电池包括上述的负极片。
根据本发明,所述电池为锂离子电池。
本发明的有益效果:
本发明提供一种负极片及包含该负极片的电池,所述负极片的使用提高了电池在大倍率条件下的循环性能,通过采用不同长径比的负极活性物质搭配,构筑有效的液相锂离子扩散通道,可显著提高电芯的倍率性能及能量密度,并进一步解决了负极片靠近隔膜表面电位更低所导致的析锂问题。
附图说明
图1为本发明的石墨颗粒的结构示意图。
图2为本发明一个优选方案所述的负极片的结构示意图。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明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。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而并非指示或暗示相对重要性。
实施例1
(1)以长径比为4,长轴为12μm的第一石墨作为负极活性物质制备负极浆料1:按照负极活性物质96.8%,导电剂(导电炭黑)1.2%,粘结剂(丁苯橡胶)2%的质量配比与水混合、搅拌制备得到活性物质层浆料,浆料粘度为2000~5000mPa·s,固含量为40%~50%。
(2)以长径比为1.5,长轴为18μm的第二石墨作为负极活性物质制备负极浆料2:按照负极活性物质96.8%,导电剂(导电炭黑)1.2%,粘结剂(丁苯橡胶)2%的质量配比与水混合、搅拌制备得到活性物质层浆料,浆料粘度为2000~5000mPa·s,固含量为40%~50%。
(3)将以上通过(1)和(2)制备的负极浆料同时涂覆在集流体上,其中,负极浆料2承载在负极浆料1上,负极浆料1承载在集流体上,以同样的方式完成集流体两侧的涂覆工作。经过涂覆、干燥、辊压完成后的负极片中,第一负极活性物质层的厚度为30μm,第二负极活性物质层的厚度为30μm。
(4)将正极活性物质(钴酸锂),导电剂(导电炭黑),粘结剂(PVDF)按照质量比96:2.5:1.5混合,分散于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中搅拌均匀制成浆料,浆料粘度为2000~7000mPa·s,固含量为70%~80%,均匀涂布在正极集流体铝箔的两侧表面上,100~150℃烘烤4~8h,制成正极片。
(5)将以上得到的正、负极片辊压、模切分切后,通过卷绕组装成卷芯,短路测试合格后以铝塑膜封装,入烤箱烘烤除去水分致达到注液所需的水分标准后注入电解液,经过24-48h陈化后以热压化成的工艺完成首次充电得到活化后的电池。
实施例2~6和对比例1~4
实施例2~6、对比例1~4与实施例1的区别在于第一石墨和第二石墨的长径比、长轴长、第一活性物质层和第二活性物质层的厚度不同,具体如表1所示。
对比例5
其他操作同实施例1,区别在于负极片为:
以长径比为1.5,长轴为18μm的石墨作为负极活性物质制备负极浆料:按照负极活性物质96.8%,导电剂(导电炭黑)1.2%,粘结剂(丁苯橡胶)2%的质量配比与水混合、搅拌制备得到活性物质层浆料,浆料粘度为2000~5000mPa·s,固含量为40%~50%。
将以上制备的负极浆料涂覆在集流体两侧。经过涂覆、干燥、辊压完成后的负极片中,负极活性物质层的厚度为60μm。
对比例6
其他操作同实施例1,区别在于负极片为:
以长径比为3,长轴为12μm的石墨作为负极活性物质制备负极浆料:按照负极活性物质96.8%,导电剂(导电炭黑)1.2%,粘结剂(丁苯橡胶)2%的质量配比与水混合、搅拌制备得到活性物质层浆料,浆料粘度为2000~5000mPa·s,固含量为40%~50%。
将以上制备的负极浆料涂覆在集流体两侧。经过涂覆、干燥、辊压完成后的负极片中,负极活性物质层的厚度为60μm。
性能测试:
以上实施例及对比例制备的电芯以0.5C充满电,0.5C放电的能量E与电芯体积V的比值为能量密度ED/Wh·L-1。
以上制备电芯以3C倍率充电,1C倍率放电进行循环700周的寿命测试。
以上制备电芯以5C充满电,0.5C放电,充放电20次后解剖电芯查看析锂情况。
表1实施例和对比例的电池的组成和性能测试结果
以上实施例和对比例的结果显示:按照本发明制备的实施例1~6相对于常规方式对比例5、6解决了电芯析锂和循环容量保持率的问题。
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 (9)
1.一种负极片,其特征在于,所述负极片包括集流体、第一活性物质层和第二活性物质层,所述第一活性物质层设置在集流体的至少一侧表面上,所述第二活性物质层设置在第一活性物质层的表面上;
所述第一活性物质层包括第一负极活性物质,所述第一负极活性物质的长径比为3~5;
所述第二活性物质层包括第二负极活性物质,所述第二负极活性物质的长径比为1~2。
2.根据权利要求1所述的负极片,其特征在于,所述第一负极活性物质的长轴为5μm~15μm;
和/或,所述第二负极活性物质的长轴为15μm~25μm。
3.根据权利要求1所述的负极片,其特征在于,所述第一负极活性物质的粒径Dv50为5μm~15μm;
和/或,所述第二负极活性物质的粒径Dv50为15μm~25μm。
4.根据权利要求1所述的负极片,其特征在于,所述第二活性物质层的厚度h2和所述第一活性物质层的厚度h1之比h2/h1为0.1≤h2/h1≤1。
5.根据权利要求4所述的负极片,其特征在于,所述第一活性物质层的厚度h1为10μm~100μm;
和/或,所述第二活性物质层的厚度h2为10μm~100μm。
6.根据权利要求1所述的负极片,其特征在于,所述第一活性物质层还包括第一导电剂和第一粘结剂;
和/或,所述第二活性物质层还包括第二导电剂和第二粘结剂。
7.根据权利要求6所述的负极片,其特征在于,所述第一活性物质层中各组分的质量百分含量为:90-99wt%的第一负极活性物质、0.5-10wt%的第一导电剂、0.5-10wt%的第一粘结剂。
8.根据权利要求6所述的负极片,其特征在于,所述第二活性物质层中各组分的质量百分含量为:80-99wt%的第二负极活性物质、0.5-10wt%的第二导电剂、0.5-10wt%的第二粘结剂。
9.一种电池,所述电池包括权利要求1-8任一项所述的负极片。
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