CN114503301A - 负极极片、电化学装置和电子装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了负极极片、电化学装置和电子装置。负极极片包括负极集流体和位于负极集流体的至少部分表面上的负极活性材料层。负极活性材料层包括负极活性材料,负极活性材料包括硅基材料。硅基材料的表面原位生长有碳纳米管。本申请的实施例使得硅基材料和碳纳米管之间的结合力大大增强,避免了单纯在硅基材料表面包覆碳材料时包覆不均匀引起的导电性不足以及循环过程中由于硅基材料的体积膨胀引起的包覆层脱落问题。
Description
技术领域
本申请涉及电化学储能领域,尤其涉及负极极片、电化学装置和电子装置。
背景技术
随着电化学装置(例如,锂离子电池)的发展和进步,对其循环性能和能量密度提出了越来越高的要求。目前,为了提升电化学装置的能量密度,通常采用一些高克容量的硅基材料作为负极活性材料,然而,硅基材料的导电性差,并且在循环过程中伴随着显著的体积膨胀,造成负极活性材料层的脱膜等问题,降低电化学装置的循环性能。
因此,如何在确保电化学装置的能量密度的同时,改善电化学装置的循环性能,仍是丞待解决的问题。
发明内容
本申请的一些实施例提供了一种负极极片,该负极极片包括负极集流体和位于负极集流体的至少部分表面上的负极活性材料层。负极活性材料层包括负极活性材料,负极活性材料包括硅基材料。硅基材料的表面原位生长有碳纳米管。
在一些实施例中,负极活性材料还包括存在于硅基材料的表面的碳材料层。在一些实施例中,碳材料层的厚度为0.5μm至1μm。在一些实施例中,碳材料层与硅基材料的质量比为0.01至0.1。在一些实施例中,硅基材料包括硅、硅氧材料或硅碳材料中的至少一种。在一些实施例中,碳纳米管的长度为300nm至500nm。在一些实施例中,碳纳米管与硅基材料的质量比为0.001至0.05。在一些实施例中,在拉曼测试中,负极活性材料在1300cm-1处包括D峰的峰值ID,在1580-1处包括G峰的峰值IG,ID与IG的比值ID/IG为0.2至2。在一些实施例中,硅基材料包括纳米Si晶粒,纳米Si晶粒的利用X射线衍射获得的Si(111)结晶面的衍射峰28.3±0.1°的半高宽大于0.81°,纳米Si晶粒的晶粒尺寸小于10nm。
本申请的一些实施例提供了一种电化学装置,该电化学装置包括正极极片、负极极片和位于正极极片和负极极片之间的隔离膜,其中,负极极片为上述任一负极极片。
本申请的实施例还提供了一种电子装置,包括上述电化学装置。
本申请的实施例通过采用表面原位生长有碳纳米管的硅基材料,使得硅基材料和碳纳米管之间的结合力大大增强,避免了在硅基材料表面包覆碳材料时包覆不均匀引起的导电性不足以及循环过程中由于硅基材料的体积膨胀引起的包覆层脱落问题。此外,碳纳米管的引入使得负极活性材料之间存在间隙,为硅基材料的体积膨胀预留了一定的空间,缓解了由于硅基材料的体积膨胀带来的不利影响,改善了由该负极活性材料形成的电化学装置的循环性能。
具体实施方式
下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本申请,但不以任何方式限制本申请。
本申请的一些实施例提供了一种负极极片,该负极极片包括负极集流体和位于负极集流体上的负极活性材料层。在一些实施例中,负极活性材料层可以位于负极集流体的一侧或两侧上。在一些实施例中,负极活性材料层包括负极活性材料,负极活性材料包括硅基材料。
在一些实施例中,硅基材料的表面原位生长有碳纳米管。在一些实施例中,可以通过在硅基材料的表面引入Cu、Ni等一些元素作为活性位点,然后在该活性位点处通过例如化学气相沉积(CVD)等原位生成碳纳米管。在一些实施例中,在原位生长过程中,可以利用甲苯或烃类等作为碳源,并且可以通过载气H2、Ar等将碳源带入到硅基材料表面的活性位点附近沉积。在一些实施例中,通过透射电镜可以看到原位生长留下的碳纳米管截面晶格。
本申请的实施例通过采用表面原位生长有碳纳米管的硅基材料,使得硅基材料和碳纳米管之间的结合力大大增强,避免了在硅基材料表面包覆碳材料时包覆不均匀引起的导电性不足以及循环过程中由于硅基材料的体积膨胀引起的包覆层脱落问题。此外,碳纳米管的引入使得负极活性材料之间存在间隙,为硅基材料的体积膨胀预留了一定的空间,缓解了由于硅基材料的体积膨胀带来的不利影响,改善了由该负极活性材料形成的电化学装置的循环性能。
在一些实施例中,负极活性材料还包括存在于硅基材料的表面的碳材料层。在一些实施例中,将表面存在碳材料层并且原位生长有碳纳米管的硅基材料整体称为硅基复合材料,即硅基复合材料包括硅基材料、原位生长的碳纳米管和位于硅基材料表面的碳材料层。原位生长的碳纳米管与存在于硅基材料表面的碳材料层结合,使得基于硅基材料的负极活性材料的导电性大大增强。另外,碳纳米管在硅基材料和碳材料层之间还起到铆钉的作用,增强了负极活性材料的结构稳定性,避免了循环过程中由于硅基材料的体积膨胀和收缩引起的碳材料层脱落的问题。
在一些实施例中,碳材料层的厚度为0.5μm至1μm。如果碳材料层的厚度太小,则碳材料层抑制硅基材料的体积膨胀的作用相对有限;如果碳材料层的厚度太大,则碳材料层抑制硅基材料的体积膨胀的作用不再显著增加,并且不利于电化学装置的能量密度的提升。在一些实施例中,可以通过扫描电镜表征碳材料层的厚度,具体地,在10kV、10mA条件下进行检测,通过截面SEM测试,确定碳材料层的厚度。应该理解,这仅是示例性的,还可以采用其他合适的方法来表征碳材料层的厚度。
在一些实施例中,碳材料层与硅基材料的质量比为0.01至0.1。如果碳材料层与硅基材料的质量比太小,则碳材料层抑制硅基材料的体积膨胀的作用相对有限;如果碳材料层与硅基材料的质量比太大,则碳材料层抑制硅基材料的体积膨胀的作用不再显著增加,并且不利于电化学装置的能量密度的提升。
在一些实施例中,硅基材料包括硅、硅氧材料或硅碳材料中的至少一种。这些硅基材料为高克容量的材料,有利于提升电化学装置的能量密度。在一些实施例中,硅基材料包括SiMx,且M为O、C等元素,0.5≤x≤1.6。
在一些实施例中,碳纳米管的长度为300nm至500nm。如果碳纳米管的长度太小,则碳纳米管改善负极活性材料的结构稳定性的作用相对有限。如果碳纳米管的长度太大,则碳纳米管对硅基材料的循环过程中的体积膨胀的抑制作用减弱。在一些实施例中,可以在扫描显微镜下测定碳纳米管的长度。在一些实施例中,可以通过扫描电镜表征碳纳米管的长度,具体地,在10kV、10mA条件下进行检测,通过截面SEM测试,确定碳纳米管的长度。应该理解,这仅是示例性的,还可以采用其他合适的方法来表征。
在一些实施例中,碳纳米管与硅基材料的质量比为0.001至0.05。如果碳纳米管与硅基材料的质量比太小,则碳纳米管改善硅基材料的导电性的作用相对有限;如果碳纳米管与硅基材料的质量比大于0.05,则碳纳米管改善硅基材料的导电性的作用不再显著增加,并且不利于电化学装置的能量密度的提升。
在一些实施例中,在拉曼测试中,负极活性材料在1300cm-1处包括D峰的峰值ID,在1580-1处包括G峰的峰值IG,ID与IG的比值ID/IG为0.2至2。在一些实施例中,负极活性材料包括硅碳材料。比值ID/IG可以反映负极活性材料的缺陷程度,比值ID/IG越大,负极活性材料的缺陷越大。负极活性材料具有一定程度的缺陷,有利于负极活性材料的导电性能的提升。如果比值ID/IG太小,则不利于负极活性材料的导电性能的提升。如果比值ID/IG太大,则不利于负极活性材料的结构的稳定。在一些实施例中,比值ID/IG可以采用以下步骤确定:光源为532nm的拉曼光谱仪,选定测试范围为0cm-1至4000cm-1,统计并计算ID/IG的比值。
在一些实施例中,硅基材料包括纳米Si晶粒,纳米Si晶粒的利用X射线衍射获得的Si(111)结晶面的衍射峰28.3±0.1°的半高宽大于0.81°,纳米Si晶粒的晶粒尺寸小于10nm。如果纳米Si晶粒的晶粒尺寸太大,则纳米Si晶粒的循环膨胀较为厉害,不利于电化学装置的体积膨胀的控制以及循环性能的提升。
在一些实施例中,硅基材料的Dv50为500nm至5μm。在一些实施例中,硅基材料的Dv50为700nm至2μm。Dv50表示在体积基准的粒度分布中,从小粒径侧起,达到体积累计50%的粒径的值。如果硅基材料的Dv50太小,则硅基材料的比表面积较大,容易与电解液发生副反应。如果硅基材料的Dv50太大,则不利于硅基材料的循环膨胀的控制以及倍率性能的提升。在一些实施例中,利用超声粒度分析仪测试负极活性材料的粒度分布,例如Dv50、Dv99。
在一些实施例中,表面存在碳材料层和碳纳米管的硅基材料的Dv50为3μm至8μm,Dv99为8μm至22μm。Dv99表示在体积基准的粒度分布中,从小粒径侧起,达到体积累计99%的粒径的值。
在一些实施例中,碳材料层包括多孔碳材料,多孔碳材料是对原位生长有碳纳米管的硅基材料采用聚合物填充包覆,或采用沥青/树脂等进行造粒包覆之后热解形成的CNT-碳混合层。即,原位生长在硅基材料的表面的碳纳米管也可以混合在碳材料层中,并且碳纳米管的引入使碳材料层提供多孔环境,该多孔环境为硅基材料的循环膨胀预留一定的空间,有利于缓解硅基材料的循环膨胀带来的不利影响。
下面简要地描述负极活性材料的制备过程以更好地理解本申请,但这仅是示例性的,而不用于限制本申请。下面以Cu元素作为活性位点进行说明,但是还可以采用Ni元素等作为活性位点。首先,将Cu(NO3)2溶解于去离子水中,配置成1mol/L的溶液;将待处理的硅基材料100g加入到Cu(NO3)2溶液,在800至1200转的转速下搅拌3min至10min,然后过滤,在80°的温度下烘干0至24小时备用;将烘干后的硅基材料加入到方形瓷舟中,以5℃/min的速率加热到580℃,以200sccm的Ar/H2为气氛,保持30min至1h,直至将Cu(NO3)2转化为Cu颗粒;将包括Cu颗粒的硅基材料以1℃/min至5℃/min的速率继续加热到指定温度500℃至1000℃,以Ar/H2作为载气,以甲苯或烃类等作为碳源,在Cu颗粒上原位生成碳纳米管,通过调控加热时间和加热温度精准调节碳纳米管的长度;之后,将原位生长有碳纳米管的硅基材料分散到水溶液中,加入包覆剂(例如,聚苯乙烯、沥青、树脂等)进行包覆,然后将材料在1000℃至1400℃下热解得到具有稳定结构和良好导电性的负极活性材料。应该理解,该制备方法仅是示例性的,还可以采用其他合适的制备方法。
在一些实施例中,负极活性材料可以还包括石墨等其他材料。在一些实施例中,负极活性材料层中还可以包括导电剂和粘结剂。在一些实施例中,负极活性材料层中的导电剂可以包括导电炭黑、科琴黑、片层石墨、石墨烯、碳纳米管或碳纤维中的至少一种。在一些实施例中,负极活性材料层中的粘结剂可以包括羧甲基纤维素(CMC)、聚丙烯酸、聚乙烯基吡咯烷酮、聚苯胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚硅氧烷、丁苯橡胶、环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂或聚芴中的至少一种。在一些实施例中,负极活性材料层中的负极活性材料、导电剂和粘结剂的质量比可以为(78至98.5)∶(0.1至10)∶(0.1至10)。负极活性材料可以是硅基材料和其他材料的混合品,硅基材料可以是1%-80%。应该理解,以上所述仅是示例,可以采用任何其他合适的材料和质量比。在一些实施例中,负极集流体可以采用铜箔、镍箔或碳基集流体中的至少一种。
本申请的实施例还提供了电化学装置,该电化学装置包括电极组件,电极组件包括正极极片、负极极片、设置在正极极片和负极极片之间的隔离膜。在一些实施例中,负极极片为上述任一种负极极片。
在一些实施例中,正极极片包括集流体和设置在集流体上的正极活性材料层,正极活性材料层可以包括正极活性材料。在一些实施例中,正极活性材料包括钴酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、磷酸铁钠、磷酸钒锂、磷酸钒钠、磷酸钒氧锂、磷酸钒氧钠、钒酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、富锂锰基材料或镍钴铝酸锂中的至少一种。在一些实施例中,正极活性材料层还可以包括导电剂。在一些实施例中,正极活性材料层中的导电剂可以包括导电炭黑、科琴黑、片层石墨、石墨烯、碳纳米管或碳纤维中的至少一种。在一些实施例中,正极活性材料层还可以包括粘结剂,正极活性材料层中的粘结剂可以包括羧甲基纤维素(CMC)、聚丙烯酸、聚乙烯基吡咯烷酮、聚苯胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚硅氧烷、丁苯橡胶、环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂或聚芴中的至少一种。在一些实施例中,正极活性材料层中的正极活性材料、导电剂和粘结剂的质量比可以为(80至99)∶(0.1至10)∶(0.1至10)。在一些实施例中,正极活性材料层的厚度可以为10μm至500μm。应该理解,以上所述仅是示例,正极活性材料层可以采用任何其他合适的材料、厚度和质量比。
在一些实施例中,正极极片的集流体可以采用Al箔,当然,也可以采用本领域常用的其他集流体。在一些实施例中,正极极片的集流体的厚度可以为1μm至50μm。在一些实施例中,正极活性材料层可以仅涂覆在正极极片的集流体的部分区域上。
在一些实施例中,隔离膜包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或芳纶中的至少一种。例如,聚乙烯包括选自高密度聚乙烯、低密度聚乙烯或超高分子量聚乙烯中的至少一种。尤其是聚乙烯和聚丙烯,它们对防止短路具有良好的作用,并可以通过关断效应改善电池的稳定性。在一些实施例中,隔离膜的厚度在约5μm至50μm的范围内。
在一些实施例中,隔离膜表面还可以包括多孔层,多孔层设置在隔离膜的至少一个表面上,多孔层包括无机颗粒和粘结剂,无机颗粒选自氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化镁(MgO)、氧化钛(TiO2)、二氧化铪(HfO2)、氧化锡(SnO2)、二氧化铈(CeO2)、氧化镍(NiO)、氧化锌(ZnO)、氧化钙(CaO)、氧化锆(ZrO2)、氧化钇(Y2O3)、碳化硅(SiC)、勃姆石、氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙或硫酸钡中的至少一种。在一些实施例中,隔离膜的孔具有在约0.01μm至1μm的范围的直径。多孔层的粘结剂选自聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素钠、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯或聚六氟丙烯中的至少一种。隔离膜表面的多孔层可以提升隔离膜的耐热性能、抗氧化性能和电解质浸润性能,增强隔离膜与极片之间的粘结性。
在本申请的一些实施例中,电化学装置的电极组件为卷绕式电极组件、堆叠式电极组件或折叠式电极组件。在一些实施例中,电化学装置的正极和/或负极可以是卷绕或堆叠式形成的多层结构,也可以是单层正极、隔离膜、单层负极叠加的单层结构。
在一些实施例中,电化学装置包括锂离子电池,但是本申请不限于此。在一些实施例中,电化学装置还可以包括电解质。电解质可以是凝胶电解质、固态电解质和电解液中的一种或多种,电解液包括锂盐和非水溶剂。锂盐选自LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiB(C6Hs)4、LiCH3SO3、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiC(SO2CF3)3、LiSiF6、LiBOB或者二氟硼酸锂中的一种或多种。例如,锂盐选用LiPF6,因为它具有高的离子导电率并可以改善循环特性。
非水溶剂可为碳酸酯化合物、羧酸酯化合物、醚化合物、其它有机溶剂或它们的组合。
碳酸酯化合物可为链状碳酸酯化合物、环状碳酸酯化合物、氟代碳酸酯化合物或其组合。
链状碳酸酯化合物的实例为碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二丙酯(DPC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸乙丙酯(EPC)、碳酸甲乙酯(MEC)及其组合。所述环状碳酸酯化合物的实例为碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)或者其组合。所述氟代碳酸酯化合物的实例为碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸1,2-二氟亚乙酯、碳酸1,1-二氟亚乙酯、碳酸1,1,2-三氟亚乙酯、碳酸1,1,2,2-四氟亚乙酯、碳酸1-氟-2-甲基亚乙酯、碳酸1-氟-1-甲基亚乙酯、碳酸1,2-二氟-1-甲基亚乙酯、碳酸1,1,2-三氟-2-甲基亚乙酯、碳酸三氟甲基亚乙酯或者其组合。
羧酸酯化合物的实例为乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸叔丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、γ-丁内酯、癸内酯、戊内酯、甲瓦龙酸内酯、己内酯、甲酸甲酯或者其组合。
醚化合物的实例为二丁醚、四甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、1,2-二甲氧基乙烷、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、2-甲基四氢呋喃、四氢呋喃或者其组合。
其它有机溶剂的实例为二甲亚砜、1,2-二氧戊环、环丁砜、甲基环丁砜、1,3-二甲基-2-咪唑烷酮、N-甲基-2-吡咯烷酮、甲酰胺、二甲基甲酰胺、乙腈、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三辛酯、和磷酸酯或者其组合。
在本申请的一些实施例中,以锂离子电池为例,将正极、隔离膜、负极按顺序卷绕或堆叠成电极件,之后装入例如铝塑膜中进行封装,注入电解液,化成、封装,即制成锂离子电池。然后,对制备的锂离子电池进行性能测试。
本领域的技术人员将理解,以上描述的电化学装置(例如,锂离子电池)的制备方法仅是实施例。在不背离本申请公开的内容的基础上,可以采用本领域常用的其他方法。
本申请的实施例还提供了包括上述电化学装置的电子装置。本申请实施例的电子装置没有特别限定,其可以是用于现有技术中已知的任何电子装置。在一些实施例中,电子装置可以包括,但不限于,笔记本电脑、笔输入型计算机、移动电脑、电子书播放器、便携式电话、便携式传真机、便携式复印机、便携式打印机、头戴式立体声耳机、录像机、液晶电视、手提式清洁器、便携CD机、迷你光盘、收发机、电子记事本、计算器、存储卡、便携式录音机、收音机、备用电源、电机、汽车、摩托车、助力自行车、自行车、无人机、照明器具、玩具、游戏机、钟表、电动工具、闪光灯、照相机、家庭用大型蓄电池和锂离子电容器等。
下面列举了一些具体实施例和对比例以更好地对本申请进行说明,其中,采用锂离子电池作为示例。
实施例1
正极极片的制备:将正极活性材料钴酸锂、导电炭黑(Super P)、聚偏二氟乙烯(PVDF)按照重量比97.5∶1.0∶1.5进行混合,加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂,搅拌均匀。将浆料均匀涂覆在正极集流体铝箔上,涂覆厚度为80μm,经过干燥、冷压、裁切后得到正极极片。
负极极片的制备:将Cu(NO3)2溶解于去离子水中,配置成1mol/L的溶液;将待处理的硅氧(SiO)材料100g加入到Cu(NO3)2溶液,在1000转的转速下搅拌7min,然后过滤,在80°的温度下烘干备用;将烘干后的硅氧材料加入到方形瓷舟中,以5℃/min的速率加热到580℃,以200sccm的Ar/H2(体积比为1∶1,下同)为气氛,保持45min,直至将Cu(NO3)2转化为Cu颗粒;将包括Cu颗粒的硅氧材料以3℃/min的速率继续加热到800℃,以Ar/H2作为载气,以甲苯作为碳源,在Cu颗粒上原位生成碳纳米管,加热时间为2h,加热温度为800℃;之后,将原位生长有碳纳米管的硅氧材料分散到水溶液中,加入沥青进行包覆,然后将材料在1200℃下热解得到改性硅氧材料。
将人造石墨、改性硅氧材料、导电炭黑和粘结剂丁苯橡胶按重量比83∶12∶1.5∶3.5的比例溶于去离子水中,形成负极浆料。采用10μm厚度铜箔作为负极的集流体,将负极浆料涂覆于负极的集流体上,涂覆厚度为50μm,干燥,裁切后得到负极极片。
隔离膜的制备:隔离膜为15μm厚的聚乙烯(PE)。
电解液的制备:在含水量小于10ppm的环境下,将LiPF6加入非水有机溶剂(碳酸乙烯酯(EC)∶碳酸丙烯酯(PC)=50∶50,重量比),LiPF6的浓度为1.15mol/L,混合均匀,得到电解液。
锂离子电池的制备:将正极极片、隔离膜、负极极片按顺序依次叠好,使隔离膜处于正极极片和负极极片中间起到隔离的作用,并卷绕得到电极组件。将电极组件置于外包装铝塑膜中,在80℃下脱去水分后,注入上述电解液并封装,经过化成,脱气,切边等工艺流程得到锂离子电池。
其他实施例和对比例是在实施例1的步骤的基础上进行参数变更,具体变更的参数如下面的表格所示。
实施例2中的碳纳米管的长度以及表面存在碳材料层和碳纳米管的硅基材料的粒径与实施例1不同。实施例3中的硅基材料的种类以及表面存在碳材料层和碳纳米管的硅基材料的粒径与实施例1不同。实施例4中的硅基材料的种类以及碳纳米管和硅基材料的质量比与实施例1不同。实施例5中的碳纳米管和硅基材料的质量比以及表面存在碳材料层和碳纳米管的硅基材料的粒径与实施例1不同。实施例6中的硅基材料的种类、碳纳米管和硅基材料的质量比以及表面存在碳材料层和碳纳米管的硅基材料的粒径与实施例1不同。实施例7中的硅基材料的种类、碳纳米管和硅基材料的质量比、碳纳米管的长度以及碳材料层的厚度与实施例1不同。实施例8中的硅基材料的粒径以及表面存在碳材料层和碳纳米管的硅基材料的粒径与实施例1不同。实施例9中的硅基材料的粒径、碳纳米管的长度以及表面存在碳材料层和碳纳米管的硅基材料的粒径与实施例1不同。对比例1中不在硅氧材料上生长碳纳米管,其他步骤与实施例1相同。对比例2中的碳纳米管采用包覆的方式非原位地形成在硅基材料表面,除了原位生长碳纳米管的步骤之外,其他步骤与实施例1相同,另外,碳纳米管的长度与实施例1不同。对比例3中不对硅氧材料进行改性,直接采用硅氧材料。
下面描述本申请的各个参数的测试方法。
循环膨胀测试:测试温度为25℃,以0.5C恒流充电到4.45V,恒压充电到0.025C,静置5分钟后以0.5C放电到3.0V。以此步得到的容量为初始容量,进行0.5C充电/0.5C放电进行循环测试,用螺旋千分尺测试初始半充时锂离子电池的厚度。每循环至100次时,锂离子电池于满充状态下,再用螺旋千分尺测试此时锂离子电池的厚度,与初始半充时锂离子电池的厚度对比,即可得此时满充锂离子电池的膨胀率,以600次循环的膨胀率为循环膨胀改善的参考。
充电能力测试:测试温度为45℃,以0.5C恒流充电到4.45V,恒压充电到0.025C,静置5分钟后以0.2C放电到3.0V。以此步得到的容量为初始容量,进行0.5C充电,2C放电,2C放电容量与0.2C容量比值为倍率性能。比值越大,倍率性能越好,充电能力越好。
表1示出了实施例1至9和对比例1至3的各个参数和评估结果。
通过比较实施例1和对比例1至3可知,在硅基材料表面不存在碳纳米管或者仅存在非原位生长的碳纳米管时,电化学装置的循环膨胀增大,并且充电能力减弱。
通过比较实施例1和2可知,碳纳米管的长度较长,形成的硅基复合材料的粒径也相应地更大,电化学装置的循环膨胀增大,充电能力会减弱。
通过比较实施例1、3、4、6、7可知,采用不同的硅基材料,电化学装置均能获得较好的循环膨胀和充电能力。
通过比较实施例1、8、9可知,在硅基材料以及硅基复合材料的粒径增大时,电化学装置的循环膨胀增大,充电能力会减弱。
通过比较实施例1和5可知,在碳纳米管与硅基材料的质量比增大并且硅基复合材料的粒径增大时,电化学装置的循环膨胀有所增大,充电能力明显增强。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解,本申请中所涉及的公开范围,并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案,同时也应涵盖由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种负极极片,其包括:
负极集流体;
负极活性材料层,位于所述负极集流体上,其中,所述负极活性材料层包括负极活性材料,所述负极活性材料包括硅基材料,所述硅基材料的表面原位生长有碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的负极极片,其中,所述负极活性材料还包括存在于所述硅基材料的表面的碳材料层。
3.根据权利要求2所述的负极极片,其中,所述碳材料层的厚度为0.5μm至1μm。
4.根据权利要求2所述的负极极片,其中,所述碳材料层与所述硅基材料的质量比为0.01至0.1。
5.根据权利要求1所述的负极极片,其中,所述硅基材料包括硅、硅氧材料或硅碳材料中的至少一种,所述碳纳米管的长度为300nm至500nm。
6.根据权利要求1所述的负极极片,其中,所述碳纳米管与所述硅基材料的质量比为0.001至0.05。
7.根据权利要求1所述的负极极片,其中,在拉曼测试中,所述负极活性材料在1300cm-1处包括D峰的峰值ID,在1580-1处包括G峰的峰值IG,ID与IG的比值ID/IG为0.2至2。
8.根据权利要求1所述的负极极片,其中,所述硅基材料包括纳米Si晶粒,所述纳米Si晶粒的利用X射线衍射获得的Si(111)结晶面的衍射峰28.3±0.1°的半高宽大于0.81°,所述纳米Si晶粒的晶粒尺寸小于10nm。
9.一种电化学装置,其包括:
正极极片;
负极极片;
隔离膜,设置在所述正极极片和所述负极极片之间,其中,所述负极极片为权利要求1至8中任一项所述的负极极片。
10.一种电子装置,包括根据权利要求9所述的电化学装置。
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