CN114613942A - 一种含硅负极极片及含有其的锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种含硅负极极片及含有其的锂离子电池。所述负极极片包括集流体和活性材料涂层，所述活性材料涂层包括涂层A和涂层B，所述涂层A对称分布在涂层B的两侧。本发明通过在极片边缘涂布膨胀力小的活性材料，解决了边缘膨胀过大问题，克服容量衰减。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，涉及一种含硅负极极片及含有其的锂离子电池。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、自放电小和无记忆效应等优势，在动力汽车领域已开始大量应用。快充能力和续航能力是锂电池厂商的两大核心竞争力，其中续航里程焦虑使消费者更难接受纯电动车。提高续航里程的一个有效方法是，增加电芯内部正负极片活性材料的涂覆厚度。然而当负极的涂层厚度过大时，容易引发负极表面析锂，使隔膜被刺破进而导致内部短路，存在安全隐患。另一种方法是，使用高容量密度的负极材料，比如硅碳负极、硅氧负极等。含硅的负极材料在充放电过程中会发生显著的体积膨胀-收缩现象，这会引起颗粒自身的粉化、破碎，和电极结构的破坏，还会导致负极表面SEI膜的损坏，这也限制了含硅负极的大规模应用。
目前，锂离子电池的制造技术有叠片工艺和卷绕工艺。在含硅电芯充放电过程中，电芯极片边缘和电芯中间部在温度、电流、膨胀应力分布存在差异，极片边缘的束缚应力较小，边缘的体积膨胀更为显著，导致边缘容易出现SEI膜破损和容量衰减，影响电芯性能。
CN109765209A公开了一种双功能膨胀石墨/纳米金复合电极的制备方法和应用，用温和电压施加于石墨，使得石墨边缘膨胀但不被剥离，得到网状蓬松石墨结构，但是电压不好控制，使得电池的边缘膨胀程度不易控制，并且给石墨施加电压时，对于后续的电池的充放电性能会产生一定的影响。
CN 110544762A公开了一种抑制软包装锂离子电芯周边膨胀的涂膜及其制备方法，在制片过程中，通过在负极片边缘涂覆一层绝缘薄膜，从而降低铜箔边缘电导率，抑制锂离子在极片边缘的聚集，从而解决电芯周边膨胀的问题，但是电池循环过程中会产生热量，在负极极片边缘的绝缘薄膜可能发生热融化或者容易受到电解液的腐蚀，从而影响电池的性能。
因此，如何制备一种单层电极结构解决电极边缘膨胀的电极极片是本领域重要的研究方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含硅负极极片及含有其的锂离子电池。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种含硅负极极片，所述负极极片包括集流体和活性材料涂层，所述活性材料涂层包括涂层A和涂层B，所述涂层A对称分布在涂层B的两侧。
常规的负极制造方式是将均匀混合的负极涂料均匀地涂布在铜箔集流体上，边缘通常有削薄处理。由于极片边缘的束缚应力较小，边缘的体积膨胀更为显著，容易造成负极边缘活性材料表面SEI膜脱落，影响电芯容量。本发明通过在极片边缘涂布膨胀力小的活性材料，解决了边缘膨胀过大问题，克服容量衰减。
作为本发明优选的技术方案，所述集流体包括铜箔。
作为本发明优选的技术方案，所述涂层A的材料包括活性材料A、粘结剂和导电剂。
优选地，按照质量分数计，所述涂层A包括92～98％活性材料A、0.1～4％粘结剂和0.1～4％导电剂，其中所述活性材料A的质量分数可以是92％、93％、94％、95％、96％、97％或98％等，所述粘结剂的质量分数可以是0.1％、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％或4％等，其中所述导电剂的质量分数可以是0.1％、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％或4.0％等，但不仅限于所列举的数值，上述各数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述活性材料A包括人造石墨、天然石墨或中间相碳微球中的任意一种或至少两种的组合，其中所述组合典型但非限制性实例有：人造石墨和天然石墨的组合、天然石墨和中间相碳微球的组合或人造石墨和中间相碳微球的组合等。
优选地，所述粘结剂包括CMC、SBR或PAA中的任意一种或至少两种的组合，其中所述组合典型但非限制性实例有：CMC和SBR的组合、SBR和PAA的组合或CMC和PAA的组合等。
优选地，所述导电剂包括炭黑、碳纳米管或KS-6中的任意一种或至少两种的组合，其中所述组合典型但非限制性实例有：炭黑和碳纳米管的组合、碳纳米管和KS-6的组合或炭黑和KS-6的组合等。
作为本发明优选的技术方案，所述涂层B的材料包括活性材料A、活性材料B、粘结剂和导电剂。
优选地，按照质量分数计，所述涂层B包括80～98％活性材料A、1～15％活性材料B、0.1～4％粘结剂和0.1～4％导电剂。其中所述活性材料A的质量分数可以是80％、82％、84％、86％、88％、90％、92％、94％、96％或98％等，所述活性材料B的质量分数可以是1％、3％、5％、7％、9％、11％、13％或15％等，所述粘结剂的质量分数可以是0.1％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％或4％等，所述导电剂的质量分数可以是0.1％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％或4％等，但不仅限于所列举的数值，上述各数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述活性材料B包括纯硅、硅碳或硅氧中的任意一种或至少两种的组合，其中所述组合典型但非限制性实例有：纯硅和硅碳的组合、硅碳和硅氧的组合或纯硅和硅氧的组合等。
作为本发明优选的技术方案，沿厚度方向，所述涂层A和所述涂层B的厚度比为(0.5～1)：1，其中所述厚度比可以是0.5:1、0.6:1、0.7:1、0.8:1、0.9:1或1:1等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述涂层B的厚度为40～80μm其，中所述厚度可以是40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm或80μm等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述涂层A占涂层A和涂层B总宽度的2～25％，其中所述分数可以是2％、4％、6％、8％、10％、12％、14％、16％、18％、20％、22％、24％或25％等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述集流体包括铜箔。
本发明的目的之二在于提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括如目的之一所述的含硅负极极片，所述锂离子电池还包括正极极片、隔膜和电解液。
作为本发明优选的技术方案，所述正极极片的活性物质包括NCM811、Ni90、NCA或NCMA中的任意一种或至少两种的组合，其中所述组合典型但非限制性实例有：NCM811和Ni90的组合、Ni90和NCA的组合或NCA和NCMA的组合等。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明制备的负极极片边缘设计膨胀较小的石墨，减轻了边缘活性材料的SEI膜破损，使得电芯的容量保持率提高，其中，电芯的500圈容量保持率可以达到97％以上。
附图说明
图1是本发明实施例1-2和实施例5中负极极片的结构图。
图2是本发明实施例3-4中负极极片的结构图。
图3是本发明对比例1-2中负极极片的结构图。
图中：A-涂层A；B-涂层B。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种锂离子电池含硅负极极片：
一种锂离子电池含硅负极极片，包含Cu集流体和位于Cu集流体两侧的活性材料涂层，活性材料涂层为单层涂层，如图1所示。活性材料涂层包括涂层A和涂层B，其中，涂层A对称分布在涂层B的两侧，涂层A的组成为95％石墨、2％CMC、2％SBR、1％炭黑，涂层B的组成为91％石墨、4％硅碳、2％CMC、2％SBR、1％炭黑，涂层A和涂层B的厚度相等，均为60μm，涂层A的宽度占涂层A和涂层B的总宽度的10％。
实施例2
本实施例提供一种锂离子电池含硅负极极片：
一种锂离子电池含硅负极极片，包含Cu集流体和位于Cu集流体两侧的活性材料涂层，活性材料涂层为单层涂层，如图1所示。活性材料涂层包括涂层A和涂层B，其中，涂层A对称分布在涂层B的两侧，涂层A的组成为96％石墨、1％CMC、2％SBR、1％炭黑，涂层B的组成为93％石墨、3％纯硅、1％CMC、2％SBR、1％炭黑，涂层A和涂层B的厚度相等，均为56μm，涂层A的宽度占涂层A和涂层B的总宽度的15％。
实施例3
本实施例提供一种锂离子电池含硅负极极片：
一种锂离子电池含硅负极极片，包含Cu集流体和位于Cu集流体两侧的活性材料涂层，活性材料涂层为单层涂层，如图2所示。活性材料涂层包括涂层A和涂层B，其中，涂层A对称分布在涂层B的两侧，涂层A的组成为95％石墨、2％CMC、2％SBR、1％炭黑，涂层B的组成为91％石墨、4％硅碳、2％CMC、2％SBR、1％炭黑，涂层B的厚度为60μm，涂层A的厚度与位置有关，涂层A靠近涂层B处厚度最大，涂层A的最大厚度为60μm，涂层A远离涂层B处的厚度最小，涂层A的最小厚度为42μm，涂层A的宽度是涂层A和涂层B总宽度的10％。
实施例4
本实施例除将涂层A的最小厚度替换为24μm外，其他条件均与实施例3相同。
实施例5
本实施例除将涂层A的宽度占涂层A和涂层B的总宽度的10％替换为涂层A的宽度占涂层A和涂层B的总宽度的28％外，其他条件均与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供一种锂离子电池含硅负极极片：
一种锂离子电池含硅负极极片，包含Cu集流体和位于Cu集流体两侧的活性材料涂层，活性材料涂层为单层涂层，如图3所示。活性材料涂层的组成为91％石墨、4％硅碳、2％CMC、2％SBR、1％炭黑。涂层的厚度为60μm。
对比例2
本对比例提供一种锂离子电池负极极片：
一种锂离子电池负极极片，包含Cu集流体和位于Cu集流体两侧的活性材料涂层，活性材料涂层为单层涂层，如图3所示。活性材料涂层的组成为95％石墨、2％CMC、2％SBR、1％炭黑。涂层的厚度为60μm。
将实施例1-5和对比例1-2中的负极极片与正极极片组装为电芯，其中正极极片使用NCMA；在常温下进行1C/1C循环测试，记录不同循环圈数的容量和500圈容量保持率，测试结果如表1所示。
表1
通过表格数据可知：实施例4中将最小厚度替换为24μm，涂层A与涂层B的厚度小于50％，此时电池的容量略小，电极边缘NP比低，容量保持率也较低；实施例5中将涂层A的宽度增大后，此时电池容量较低。
对比例1没有在边缘设计膨胀较小的石墨，边缘活性材料的SEI膜破损后使得电池的容量保持率下降；对比例2中全部使用含石墨的负极极片，电池的容量很低。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种含硅负极极片，其特征在于，所述负极极片包括集流体和活性材料涂层，所述活性材料涂层包括涂层A和涂层B，所述涂层A对称分布在涂层B的两侧。
2.根据权利要求1所述的负极极片，其特征在于，所述涂层A的材料包括活性材料A、粘结剂和导电剂；
优选地，按照质量分数计，所述涂层A包括92～98％活性材料A、0.1～4％粘结剂和0.1～4％导电剂。
3.根据权利要求2所述的负极极片，其特征在于，所述活性材料A包括人造石墨、天然石墨或中间相碳微球中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述粘结剂包括CMC、SBR或PAA中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述导电剂包括炭黑、碳纳米管或KS-6中的任意一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求1-3任一项所述的负极极片，其特征在于，所述涂层B的材料包括活性材料A、活性材料B、粘结剂和导电剂；
优选地，按照质量分数计，所述涂层B包括80～98％活性材料A、1～15％活性材料B、0.1～4％粘结剂和0.1～4％导电剂。
5.根据权利要求4所述的负极极片，其特征在于，所述活性材料B包括纯硅、硅碳或硅氧中的任意一种或至少两种的组合。
6.根据权利要求1-5任一项所述的负极极片，其特征在于，沿厚度方向，所述涂层A和所述涂层B的厚度比为(0.5～1)：1；
优选地，所述涂层B的厚度为40～80μm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的负极极片，其特征在于，所述涂层A占涂层A和涂层B总宽度的2～25％。
8.根据权利要求1-7任一项所述的负极极片，其特征在于，所述集流体包括铜箔。
9.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括如权利要求1-8任一项所述的含硅负极极片，所述锂离子电池还包括正极极片、隔膜和电解液。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极极片的活性物质包括NCM811、Ni90、NCA或NCMA中的任意一种或至少两种的组合。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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