CN114597335A - 一种负极片及包括该负极片的电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种负极片及包括该负极片的电池。所述负极片包括负极集流体，以及沿负极集流体宽度方向依次设置的第一涂覆区域、第二涂覆区域和第三涂覆区域；本发明通过特殊结构和组成的负极片的设计，解决了多极耳卷绕结构在应用过程中面临的头部和底部容易析锂的问题，使得这种结构可以更好的应用在电池中。
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
随着锂离子电池应用场景的拓宽，无论是电动汽车还是消费类电池，都对缩短充电时间表现出了急迫的需求。对于锂离子电池单体性能来讲，提升充电速度成为一个亟待解决的技术问题。
多极耳卷绕结构是目前研究较多的一种锂离子电池结构，其具有充电速度快的特点，但是应用多极耳卷绕结构却常常面临电芯头部和底部容易析锂的情况，所以限制了这种结构的应用和发展。
发明内容
为了改善现有技术的不足，本发明提供一种负极片及包括该负极片的电池。本发明通过特殊结构和组成的负极片的设计，解决了多极耳卷绕结构的电池在应用过程中面临的头部和底部容易析锂的问题，使得这种结构可以更好的应用在电池中。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种负极片，所述负极片包括负极集流体，以及沿负极集流体宽度方向依次设置的第一涂覆区域、第二涂覆区域和第三涂覆区域；
所述第一涂覆区域内设置第一负极活性物质层，所述第一负极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包含第一石墨材料以及第一无定型碳材料；
所述第二涂覆区域内设置第二负极活性物质层，所述第二负极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包含第二石墨材料；
所述第三涂覆区域内设置第三负极活性物质层，所述第三负极活性物质层包括第三负极活性物质，所述第三负极活性物质包含第三石墨材料以及第二无定型碳材料。
根据本发明的实施方案，所述负极片适用于多极耳电池。所述多极耳电池是指具有三个以上极耳的电池。
根据本发明的实施方式，本发明的负极片中负极集流体表面采用了条纹涂布，即沿负极集流体宽度方向依次设置第一涂覆区域、第二涂覆区域和第三涂覆区域。
根据本发明的实施方式，所述第一涂覆区域的宽度W1、第二涂覆区域的宽度W2和第三涂覆区域的宽度W3之和为负极集流体的宽度W集，即W1+W2+W3＝W集。
根据本发明的实施方式，所述第一涂覆区域的宽度W1满足：
Overhang1<W1≤5×Overhang1；
其中，Overhang1是指正极片和负极片覆盖时，靠近第一涂覆区域一侧的负极片超出正极片的一侧的宽度。
根据本发明的实施方式，所述第三涂覆区域的宽度W3满足：
Overhang3<W3≤5×Overhang3；
其中，Overhang3是指正极片和负极片覆盖时，靠近第三涂覆区域一侧的负极片超出正极片的一侧的宽度。
本发明中，通过调整第一涂覆区域的宽度W1和第三涂覆区域的宽度W3，使正极片和负极片覆盖时，靠近第一涂覆区域一侧的负极片超出正极片的一侧的宽度Overhang1，以及，靠近第三涂覆区域一侧的负极片超出正极片的一侧的宽度Overhang3在合理的范围，以此解决负极片头部和底部析锂的问题。
若是范围太小(W1≤Overhang1和/或W3≤Overhang3)因为没有办法覆盖到经常析锂的区域，不能起到解决析锂的作用，若是范围太大(W1>5×Overhang1和/或W3>5×Overhang3)则会影响电池的能量密度。
根据本发明的实施方式，所述第一负极活性物质层的厚度、所述第二负极活性物质层的厚度和所述第三负极活性物质层的厚度相同，分别为23μm～53μm。
根据本发明的实施方式，所述第一无定型碳材料和所述第二无定型碳材料可以是通过商业途径购买后获得的，也可以是采用本领域已知的方法制备得到的。
根据本发明的实施方式，所述第一无定型碳材料和所述第二无定型碳材料相同或不同，彼此独立地选自硬碳、软碳、多孔碳等中的至少一种。
根据本发明的实施方式，所述第一无定型碳材料和所述第二无定型碳材料相同或不同，彼此独立地选自高容量无定型碳，所述高容量无定型碳的选择可以在降低析锂风险的同时，极大的提升电芯的能量密度。
优选地，所述高容量无定型碳的容量大于等于500mAh/g。
根据本发明的实施方式，所述第一石墨材料的粒径Dv50为9μm～14μm。
根据本发明的实施方式，所述第二石墨材料的粒径Dv50为9μm～14μm。
根据本发明的实施方式，所述第三石墨材料的粒径Dv50为9μm～14μm。
根据本发明的实施方式，所述第一无定型碳材料的粒径Dv50为3μm～9μm。
根据本发明的实施方式，所述第二无定型碳材料的粒径Dv50为3μm～9μm。
根据本发明的实施方式，所述第一负极活性物质层还包括第一导电剂、第一增稠剂和第一粘结剂。
根据本发明的实施方式，所述第二负极活性物质层还包括第二导电剂、第二增稠剂和第二粘结剂。
根据本发明的实施方式，所述第三负极活性物质层还包括第三导电剂、第三增稠剂和第三粘结剂。
根据本发明的实施方式，形成所述第一负极活性物质层、第二负极活性物质层和第三负极活性物质层的第一导电剂、第二导电剂和第三导电剂相同或不同，形成所述第一负极活性物质层、第二负极活性物质层和第三负极活性物质层的第一增稠剂、第二增稠剂和第三增稠剂相同或不同，形成所述第一负极活性物质层、第二负极活性物质层和第三负极活性物质层的第一粘结剂、第二粘结剂和第三粘结剂相同或不同。
其中，所述第一导电剂、第二导电剂和第三导电剂相同或不同，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，所述第一增稠剂、第二增稠剂和第三增稠剂相同或不同，彼此独立地选自羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素锂中的至少一种。
其中，所述第一粘结剂、第二粘结剂和第三粘结剂相同或不同，彼此独立地选自丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯腈、聚苯乙烯-丙烯酸酯、聚丙烯酸酯中的至少一种。
根据本发明的实施方式，所述第一负极活性物质层中各组分的质量百分含量为：85％～98％的第一负极活性物质、0.4％～2％的第一导电剂、0.5％～3.5％的第一粘结剂、0.3％～1.7％的第一增稠剂。
根据本发明的实施方式，所述第二负极活性物质层中各组分的质量百分含量为：95％～99％的第二负极活性物质、0.4％～2％的第二导电剂、0.5％～2.5％的第二粘结剂、0.3％～1.3％的第二增稠剂。
根据本发明的实施方式，所述第三负极活性物质层中各组分的质量百分含量为：85％～98％的第三负极活性物质、0.4％～2％的第三导电剂、0.5％～3.5％的第三粘结剂、0.3％～1.7％的第三增稠剂。
根据本发明的实施方式，所述第一石墨材料和第一无定型碳材料的质量比为(60％～94％):(6％～40％)。
根据本发明的实施方式，所述第三石墨材料和第二无定型碳材料的质量比为(60％～94％):(6％～40％)。
如果无定型碳材料所占的比例太小，则无法起到改善析锂的作用，如果掺混比例太大，则第一负极活性物质层和第三负极活性物质层的循环厚度膨胀增长率相比于第二负极活性物质层会发生明显减小(无定型碳材料被认为在循环过程中无膨胀的负极材料)，随着循环的进行，第一负极活性物质层和第三负极活性物质层的厚度会与第二负极活性物质层的厚度明显不同，即第一负极活性物质层和第三负极活性物质层的厚度较小，但是第二负极活性物质层的厚度较大，造成第一负极活性物质层、第二负极活性物质层和第三负极活性物质层的剥离，而出现明显破坏。本发明经过研究发现，通过搭配不同比例(石墨材料和无定型碳材料的质量比为(60％～94％):(6％～40％))的无定型碳负极材料，可以控制负极集流体表面的负极活性物质层的厚度保持一致。
根据本发明的实施方案，所述负极片还包括极耳。
根据本发明的实施方案，所述极耳设置在靠近第一涂覆区域的沿负极集流体宽度方向设置的空箔区域。
根据本发明的实施方案，所述极耳设置在靠近第一涂覆区域，且所述极耳为负极集流体延伸而成的。
根据本发明的实施方案，所述极耳的数量为至少三个。
本发明还提供一种电池，所述电池包括上述的负极片。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种负极片及包括该负极片的电池。本发明通过特殊结构和组成的负极片的设计，解决了多极耳卷绕结构在应用过程中面临的头部和底部容易析锂的问题，使得这种结构可以更好的应用在电池中。
附图说明
图1为本发明一个优选方案所述的负极片的结构示意图。
图2为本发明一个优选方案所述的电池中正极片和负极片的组装结构示意图。
附图标记：11为极耳；12为第一涂覆区域；13为第二涂覆区域；14为第三涂覆区域；21为正极片和负极片覆盖时，靠近第一涂覆区域一侧的负极片超出正极片的一侧的宽度Overhang1；22为正极片；23为正极片和负极片覆盖时，靠近第三涂覆区域一侧的负极片超出正极片的一侧的宽度Overhang3。
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”、“第三”等仅用于描述目的，而并非指示或暗示相对重要性。
性能测试
体积能量密度/Wh/L测试：
体积能量密度＝初始容量/电芯体积(如果电芯为长方体，则电芯体积为长*宽*高)
在室温下，以0.5C恒流恒压充电至电芯上限电压(4.48V)后，以0.2C电流放电至3V时放出的容量为初始容量。
300T循环膨胀率测试：
将实施例和对比例的电池在25℃下，以5C倍率恒流充电到4.45V，然后在4.45V下恒压充电，截止电流为0.025C，之后再以0.7C倍率恒流放电，截止电压是3V，此为一个充放电循环过程，重复该充放电循环过程，直至电池的循环次数达到300次；同时测试电池在循环300次时的电池循环膨胀率，计算方法为：在循环前用厚度测试仪测试电池满电厚度，作为初始厚度，电池循环300次后满电下台测试厚度并记录，循环膨胀率＝(循环满电下台厚度/初始满电厚度)*100％。
5C循环20T容量保持率测试：
将实施例和对比例的电池在25℃下，以5C倍率恒流充电到4.45V，然后在4.45V下恒压充电，截止电流为0.025C，之后再以0.7C倍率恒流放电，截止电压是3V，记录初始容量Q0，此为一个充放电循环过程，重复该充放电循环过程，直至电池的循环次数达到20次；以循环第20次的放电容量作为电池的容量Q3，计算容量保持率(％)＝Q3/Q0×100％。
实施例1
将石墨和硬碳混合后，作为负极活性材料，并将所述负极活性材料(总量为96wt％，其中，石墨质量占比97％，硬碳质量占比3％)、导电炭黑导电剂(总量为1.5wt％)、SBR类粘结剂(总量为1.3wt％)和羧甲基纤维素纳CMC增稠剂(总量为1.2wt％)、以及去离子水，按步骤加入至匀浆机并进行混合搅拌，得到分散均匀的负极浆料1，固含量为43wt％-48wt％；
将石墨作为负极活性材料，并将所述负极活性材料(总量为96wt％)、导电炭黑导电剂(总量为1.5wt％)、SBR类粘结剂(总量为1.3wt％)和羧甲基纤维素纳CMC增稠剂(总量为1.2wt％)、以及去离子水，按步骤加入至匀浆机并进行混合搅拌，得到分散均匀的负极浆料2，固含量为43wt％-48wt％；
将石墨和硬碳混合后，作为负极活性材料，并将所述负极活性材料(总量为96wt％，其中，石墨质量占比97％，硬碳质量占比3％)、导电炭黑导电剂(总量为1.5wt％)、SBR类粘结剂(总量为1.3wt％)和羧甲基纤维素纳CMC增稠剂(总量为1.2wt％)、以及去离子水，按步骤加入至匀浆机并进行混合搅拌，得到分散均匀的负极浆料3，固含量为43wt％-48wt％；
利用挤压涂布机，将三种浆料涂覆在6μm厚的铜箔的表面，需要注意的是涂布膜头进行分区设计，按照图1设计，沿负极集流体宽度方向分成三个区域，分布对应负极浆料1、负极浆料2、负极浆料3，涂布速度为5m/min，涂布之后进行烘烤，之后进行辊压，分切得到负极极片，辊压压力可以调整本次使用的辊压压力为50MPa，得到负极片。
所述负极片包括负极集流体，以及沿负极集流体宽度方向依次设置的第一涂覆区域12、第二涂覆区域13和第三涂覆区域14；
所述第一涂覆区域12内设置第一负极活性物质层，所述第一负极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包含第一石墨材料以及第一无定型碳材料；
所述第二涂覆区域13内设置第二负极活性物质层，所述第二负极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包含第二石墨材料；
所述第三涂覆区域14内设置第三负极活性物质层，所述第三负极活性物质层包括第三负极活性物质，所述第三负极活性物质包含第三石墨材料以及第二无定型碳材料；
所述负极片还包括极耳11，所述极耳11设置在靠近第一涂覆区域12，所述极耳为负极集流体延伸而成的。
其中，关于负极片的各项参数如表1所示。
表1实施例1的负极片的结构参数
将正极活性材料LiCoO2、粘结剂PVDF、导电剂Super P按照质量比97％：1.5％：1.5％溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中搅拌均匀制成浆料，均匀涂布在正极集流体铝箔的两侧表面上，100-150℃烘烤4-8h，再经冷压、分切后制成锂离子电池的正极片。
将制备的正极片、负极片和聚乙烯隔膜，使用卷绕机卷绕制得正极外包的卷绕结构的卷芯，采用铝塑膜封装，真空状态下烘烤48h去除水分后，注入电解液，再对电池进行常规化成和分选，得到软包锂离子电池。其中电解液采用常规电解液配方制备的电解液：LiPF6+溶剂(EC+DEC+DMC)。
实施例2～实施例7、对比例1
其他操作同实施例1，区别仅在于负极浆料1和负极浆料3中硬碳的掺混比例不同，具体如表2所示。
表2实施例1～实施例7、对比例1的负极片的参数和电池的性能测试结果
| 硬碳质量占比 | 石墨质量占比 | 能量密度/Wh/L | 300T循环膨胀率 | |
| 实施例1 | 3％ | 97％ | 605 | 6.83％ |
| 实施例2 | 6％ | 94％ | 595 | 6.83％ |
| 实施例3 | 10％ | 90％ | 582 | 6.83％ |
| 实施例4 | 20％ | 80％ | 548 | 6.83％ |
| 实施例5 | 30％ | 70％ | 526 | 6.30％ |
| 实施例6 | 40％ | 60％ | 481.7 | 5.71％ |
| 实施例7 | 50％ | 50％ | 448.3 | 5.60％ |
| 对比例1 | 0％ | 100％ | 615 | 6.83％ |
实施例8
将石墨和硬碳混合后，作为负极活性材料，并将所述负极活性材料(总量为96wt％，其中，石墨质量占比92％，硬碳质量占比8％)、导电炭黑导电剂(总量为1.5wt％)、SBR类粘结剂(总量为1.3wt％)和羧甲基纤维素纳CMC增稠剂(总量为1.2wt％)、以及去离子水，按步骤加入至匀浆机并进行混合搅拌，得到分散均匀的负极浆料1，固含量为43wt％-48wt％；
将石墨作为负极活性材料，并将所述负极活性材料(总量为96wt％)、导电炭黑导电剂(总量为1.5wt％)、SBR类粘结剂(总量为1.3wt％)和羧甲基纤维素纳CMC增稠剂(总量为1.2wt％)、以及去离子水，按步骤加入至匀浆机并进行混合搅拌，得到分散均匀的负极浆料2，固含量为43wt％-48wt％；
将石墨和硬碳混合后，作为负极活性材料，并将所述负极活性材料(总量为96wt％，其中，石墨质量占比92％，硬碳质量占比8％)、导电炭黑导电剂(总量为1.5wt％)、SBR类粘结剂(总量为1.3wt％)和羧甲基纤维素纳CMC增稠剂(总量为1.2wt％)、以及去离子水，按步骤加入至匀浆机并进行混合搅拌，得到分散均匀的负极浆料3，固含量为43wt％-48wt％；
利用挤压涂布机，将三种浆料涂覆在6μm厚的铜箔的表面，需要注意的是涂布膜头进行分区设计，按照图1设计，沿负极集流体宽度方向分成三个区域，分布对应负极浆料1、负极浆料2、负极浆料3，涂布速度为5m/min，涂布之后进行烘烤，之后进行辊压，分切得到负极极片，辊压压力可以调整本次使用的辊压压力为50MPa，得到负极片。
所述负极片包括负极集流体，以及沿负极集流体宽度方向依次设置的第一涂覆区域12、第二涂覆区域13和第三涂覆区域14；
所述第一涂覆区域12内设置第一负极活性物质层，所述第一负极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包含第一石墨材料以及第一无定型碳材料；
所述第二涂覆区域13内设置第二负极活性物质层，所述第二负极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包含第二石墨材料；
所述第三涂覆区域14内设置第三负极活性物质层，所述第三负极活性物质层包括第三负极活性物质，所述第三负极活性物质包含第三石墨材料以及第二无定型碳材料；
所述负极片还包括极耳11，所述极耳11设置在靠近第一涂覆区域12，所述极耳为负极集流体延伸而成的。
其中，关于负极片的各项参数如表3所示。
将正极活性材料LiCoO2、粘结剂PVDF、导电剂Super P按照质量比97％：1.5％：1.5％溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中搅拌均匀制成浆料，均匀涂布在正极集流体铝箔的两侧表面上，100-150℃烘烤4-8h，再经冷压、分切后制成锂离子电池的正极片。
将制备的正极片、负极片和聚乙烯隔膜，使用卷绕机卷绕制得正极外包的卷绕结构的卷芯，采用铝塑膜封装，真空状态下烘烤48h去除水分后，注入电解液，再对电池进行常规化成和分选，得到软包锂离子电池。其中电解液采用常规电解液配方制备的电解液：LiPF6+溶剂(EC+DEC+DMC)。
实施例9～实施例15
其他操作同实施例8，区别仅在于负极片的结构不同，具体如表3所示。
表3实施例8～实施例15的负极片的结构参数
实施例8～实施例13、对比例2～3的电池的性能测试结果列于表4中。
表4实施例8～实施例15的电池的性能测试结果
| 能量密度/Wh/L | 5C循环20T容量保持率％ | |
| 实施例8 | 541.0 | 99.41％ |
| 实施例9 | 547.7 | 99.41％ |
| 实施例10 | 615.0 | 96.36％ |
| 实施例11 | 615.0 | 96.67％ |
| 实施例12 | 601.5 | 99.76％ |
| 实施例13 | 588.1 | 99.76％ |
| 实施例14 | 588.1 | 99.71％ |
| 实施例15 | 565.1 | 99.59％ |
通常情况下认为只要在Overhang1的宽度和涂层1的宽度相同、Overhang3的宽度和涂层3的宽度相同的条件下，即可以解决析锂窗口的问题，经过本发明研究发现，在一致的条件下并不能达到应有的效果。
这是因为即使在一致的条件下，正极极片的边缘效应仍然会影响涂层2的性能状态，只有在满足本发明的条件内，可以最大限度的避开正极极片的边缘效应。即当Overhang1的宽度、Overhang3的宽度和涂层1的宽度W1、涂层3的宽度W3满足一定条件下(Overhang1<W1≤5×Overhang1；Overhang3<W3≤5×Overhang3)，可以最大限度的平衡能量密度和析锂窗口的关系。
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 (10)
1.一种负极片，所述负极片包括负极集流体，以及沿负极集流体宽度方向依次设置的第一涂覆区域、第二涂覆区域和第三涂覆区域；
所述第一涂覆区域内设置第一负极活性物质层，所述第一负极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包含第一石墨材料以及第一无定型碳材料；
所述第二涂覆区域内设置第二负极活性物质层，所述第二负极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包含第二石墨材料；
所述第三涂覆区域内设置第三负极活性物质层，所述第三负极活性物质层包括第三负极活性物质，所述第三负极活性物质包含第三石墨材料以及第二无定型碳材料。
2.根据权利要求1所述的负极片，其特征在于，所述第一涂覆区域的宽度W1、第二涂覆区域的宽度W2和第三涂覆区域的宽度W3之和为负极集流体的宽度W集，即W1+W2+W3＝W集。
3.根据权利要求2所述的负极片，其特征在于，所述第一涂覆区域的宽度W1满足：
Overhang1<W1≤5×Overhang1；
其中，Overhang1是指正极片和负极片覆盖时，靠近第一涂覆区域一侧的负极片超出正极片的一侧的宽度。
4.根据权利要求2所述的负极片，其特征在于，所述第三涂覆区域的宽度W3满足：
Overhang3<W3≤5×Overhang3；
其中，Overhang3是指正极片和负极片覆盖时，靠近第三涂覆区域一侧的负极片超出正极片的一侧的宽度。
5.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层的厚度、所述第二负极活性物质层的厚度和所述第三负极活性物质层的厚度相同，分别为23μm～53μm。
6.根据权利要求1所述的负极片，其特征在于，所述第一无定型碳材料和所述第二无定型碳材料相同或不同，彼此独立地选自硬碳、软碳、多孔碳中的至少一种；
和/或，所述第一无定型碳材料和所述第二无定型碳材料相同或不同，彼此独立地选自高容量无定型碳，所述高容量无定型碳的容量大于等于500mAh/g。
7.根据权利要求1所述的负极片，其特征在于，所述第一石墨材料和第一无定型碳材料的质量比为(60％～94％):(6％～40％)。
8.根据权利要求1所述的负极片，其特征在于，所述第三石墨材料和第二无定型碳材料的质量比为(60％～94％):(6％～40％)。
9.根据权利要求1所述的负极片，其特征在于，所述负极片还包括极耳，所述极耳的数量为至少三个。
10.一种电池，所述电池包括权利要求1-9任一项所述的负极片。
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