CN115101713B

CN115101713B - 一种锂离子电池极片及电池

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Publication number: CN115101713B
Application number: CN202211029415.2A
Authority: CN
Inventors: 赵晓锋; 刘静
Original assignee: Svolt Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Svolt Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2022-08-26
Filing date: 2022-08-26
Publication date: 2022-11-11
Anticipated expiration: 2042-08-26
Also published as: CN115101713A

Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池极片及电池。本发明提供的锂离子电池极片包括正极极片和负极极片，所述正极极片包括正极活性材料，所述负极极片包括负极活性材料；所述正极活性材料的颗粒强度WA和所述负极活性材料的颗粒强度WB满足0.5≤WA/WB≤15。通过将正负极活性材料的颗粒强度控制在上述范围内，一方面可降低充放电过程中的膨胀，并能避免材料颗粒破碎，另一方面还可以避免电池因析锂而影响循环性能。

Description

一种锂离子电池极片及电池

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池极片及电池。

背景技术

锂离子电池因具有高能量密度、长循环寿命、快速充放电等优势而被作为一种储能器件，广泛应用于数码产品、新能源汽车及储能等领域。随着市场对锂离子电池循环寿命要求的提高，即要求锂离子电池在膨胀力条件下依然具有优异的循环性能，越来越多的研究致力于此并不断有成果涌现。研究表明，影响锂离子电池循环性能的因素是多方面的，比如正负极的材料类型、压实密度、涂膜密度、电解液量、试验条件等。那么如何从众多影响因素中选择合适的控制条件，以平衡充放电过程中锂离子的嵌脱速率，从而提升电池的倍率和循环性能，是本领域技术人员亟待解决的一个技术难题。

发明内容

鉴于此，本发明的首要目的是提供一种锂离子电池极片，通过控制正负极片材料的颗粒强度和/或压实密度，从而实现正负极锂离子的脱锂和嵌锂之间的平衡，提升电池的倍率和循环性能。

本发明的另一目的是提供一种包含上述锂离子电池极片的电池。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种锂离子电池极片，包括正极极片和负极极片，所述正极极片包括正极活性材料，所述负极极片包括负极活性材料；所述正极活性材料的颗粒强度WA和所述负极活性材料的颗粒强度WB满足0.5≤WA/WB≤15，其中WA和WB的单位均为MPa。

在本发明的一些实施例中，WA和WB满足2≤WA/WB≤2.5。

在本发明的一些实施例中，WA的取值为110~250，优选为195~205。

在本发明的一些实施例中，WB的取值为30~200，优选为80~100。

在本发明的一些实施例中，所述正极活性材料的颗粒强度WA和所述正极活性材料的压实密度ZA满足：160≤WA+ZA*15≤390，优选240≤WA+ZA*15≤260，其中ZA的单位为g/cm³。

在本发明的一些实施例中，ZA的取值为3~3.7，优选为3.2~3.4。

在本发明的一些实施例中，所述负极活性材料的颗粒强度WB和所述负极活性材料的压实密度ZB满足：50≤WB+ZB*15≤200，优选100≤WB+ZB*15≤160，其中ZB的单位为g/cm³。

在本发明的一些实施例中，ZB的取值为1~1.7，优选为1.5~1.7。

在本发明的一些实施例中，所述正极活性材料的粒度D50为2~10μm，优选为3.75μm。

在本发明的一些实施例中，所述负极活性材料的粒度D50为5~30μm，优选为11~12.5μm。

在本发明的一些实施例中，所述正极活性材料的比表面积为0.1~1m²/g，优选为0.75~0.85m²/g。

在本发明的一些实施例中，所述负极活性材料的比表面积为1~2m²/g，优选为1.2~1.5m²/g。

在本发明的一些实施例中，所述正极活性材料为LiCoO₂、LiNiO₂、LiMnO₂、三元材料、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂中的至少一种。

在本发明的一些实施例中，所述负极活性材料为人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、钛酸锂中的至少一种。

一种电池，包括电池极片、隔离膜和电解液，所述电池极片为本发明提供的所述锂离子电池极片。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：

本发明实施例提供的锂离子电池极片，包括正极极片和负极极片，所述正极极片包括正极活性材料，所述负极极片包括负极活性材料；所述正极活性材料的颗粒强度WA和所述负极活性材料的颗粒强度WB满足0.5≤WA/WB≤15。通过将正负极活性材料的颗粒强度控制在上述范围内，一方面可降低充放电过程中的膨胀，并能避免材料颗粒破碎，另一方面还可以避免电池因析锂而影响循环性能。

进一步地，本发明实施例提供的锂离子电池极片通过控制正极活性材料的颗粒强度WA与正极活性材料的压实密度ZA满足160≤WA+ZA*15≤390，和/或负极活性材料的颗粒强度WB与负极活性材料的压实密度ZB满足50≤WB+ZB*15≤200，可实现正负极锂离子的脱锂和嵌锂之间的平衡，从而提升了电池的倍率和循环性能。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

本发明实施例提供了一种软包电池，包括负极极片、正极极片、隔离膜以及电解液；所述正极极片包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个表面上且包括正极活性材料的正极涂层，所述正极涂层包括正极活性材料、导电剂和粘结剂；所述负极极片包括负极集流体以及设置于负极集流体至少一个表面上且包括负极活性材料的负极涂层，所述负极涂层包括负极活性材料、导电剂和粘结剂；正/负极集流体的种类不受具体的限制，可根据实际需求进行选择。

将正极活性物质、导电剂和粘结剂混合，加入溶剂，匀浆，涂覆于正极集流体表面，干燥辊压后得到正极极片。将负极活性物质、导电剂和粘结剂混合，加入溶剂，匀浆，涂覆于负极集流体表面，干燥辊压后得到负极极片。将正极极片、隔离膜、负极极片通过Z字型叠片机制备成叠芯，而后通过极耳焊接、软包电池侧封、顶封、注液、预封，制得所述锂离子软包电池。

在本发明实施例中，所述正极活性材料的颗粒强度WA和所述负极活性材料的颗粒强度WB满足0.5≤WA/WB≤15，其中WA和WB的单位均为MPa。发明人发现，WA/WB的比值越大，说明正极颗粒强度高，正极结构稳定，循环及倍率性能好，负极颗粒强度低，则负极材料质地软，倍率差，循环性能差，容易析锂；WA/WB的比值越小，说明正极强度低，颗粒容易破碎，造成极化大，负极强度高，结构稳定，循环性能好，但是由于正极的结构稳定性差，同样会导致整体电池的循环性能偏差。本发明实施例通过将正负极活性材料的颗粒强度控制在上述范围内，一方面可降低充放电过程中的膨胀，并能避免材料颗粒破碎，另一方面还可以避免电池因析锂而影响循环性能。

发明人发现，当WA/WB的值在2~2.5之间时，电池具有更好的循环性能。作为可选择的实施方式，在本发明实施例中，WA的取值为110~250，更优选为195~205；WB的取值为30~200，优选为80~100。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述正极活性材料的颗粒强度WA和所述正极活性材料的压实密度ZA满足：160≤WA+ZA*15≤390，其中ZA的单位为g/cm³；发明人发现，正极活性材料的压实密度越大，颗粒强度越大，使得材料的结构更稳定，有利于电池的循环和倍率性能。可选地，ZA的取值为3~3.7，更优选为3.2~3.4。

在本发明的一些实施例中，所述负极活性材料的颗粒强度WB和所述负极活性材料的压实密度ZB满足：50≤WB+ZB*15≤200，其中ZB的单位为g/cm³；发明人发现，负极活性材料的压实密度越高，倍率和循环性能偏差，负极活性材料的颗粒强度越大，倍率和循环性能越高，所以控制负极的颗粒强度和压实密度在上述范围内，可以确保负极材料具有较好的循环和倍率性能。可选地，ZB的取值为1~1.7，优选为1.5~1.7。

本发明实施例通过控制正负极活性材料的颗粒强度和压实密度，可实现充放电过程中正极脱锂速率与负极嵌锂速率之间的平衡，从而有利于提升电池的倍率和循环性能。发明人发现，当WA+ZA*15的值在240~260之间，同时WB+ZB*15的值在100~160之间时，电池具有更好的倍率和循环性能。

作为可选择的实施方式，在本发明实施例中，所述正极活性材料的粒度D50为2~10μm，优选为3.75μm；所述正极活性材料的比表面积为0.1~1m²/g，优选为0.75~0.85m²/g。所述负极活性材料的粒度D50为5~30μm，优选为11~12.5μm；所述负极活性材料的比表面积为1~2m²/g，优选为1.2~1.5m²/g。发明人发现，影响正/负极材料颗粒强度的因素主要有粒度、比表面以及原料自身性质，在原料相同的条件下，粒度越大，比表面越小，颗粒强度越弱，相反，粒度越小，比表面越大，颗粒强度越强。因此，本发明实施例通过选择具有上述粒度和比表面积的正负极活性材料，有利于更好地调控正负极活性材料的颗粒强度。

在本发明的一些实施例中，所述正极活性材料为LiCoO₂、LiNiO₂、LiMnO₂、三元材料、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂中的至少一种；可选地，所述三元材料包括但不限于LiNi_xCo_1-xO₂、LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂、LiNi_xCo_yAl_1-x-yO₂，其中，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1。

下面结合具体实施例，对本发明提供的锂离子电池极片和电池进行详细说明。

实施例

理化性能测试：

1、粉体压实密度测试方法

1.1 用游标卡尺确认磨具内径，并记录数据D；

1.2 用称量纸称量1.0000g样品，将样品全部小心倒入到压实模具中，后再次称量称量纸上样品残留M1，两次称量相互减去值为样品的准确重量M；

1.3 准备好模具和高度规，将压力棒插入模具中，高度规先归零后测试模具底面到压力棒顶端的高度H1；

1.4 将模具挤压棒小心的插入有样品的模具中，防止插入过快导致样品飞溅出；将组装好的模具安放在压力计上，旋转压力计开关开始手动加压至2.0t；加压保持30s后泄压，后立即取出模具，高度规先归零后测试模具底面到压力棒顶端的高度H2，计算粉体压实后高度H=H2-H1；

1. 5 结果计算，计算压实密度Z=M/(H*(D/2)2*π)。

2、材料颗粒强度测试方法

称取5g待测样品，加到安装好的模具里，要求模具内壁不沾料，左右轻轻摇晃模具使模具内料平整，并在测试软件里输入样品质量和批号。将模具安装到颗粒强度测试仪（型号：DL5，大连鹏辉科技开发有限公司）的升降仪上，施加0T(ton)(Ref)、最大压力4.5T(ton)的压力进行测试，加压速度0.5N/S，之后随着压力的增加，材料发生形变，直至突然形变发生变化，此时的压力为颗粒强度最大压力，记录下此时的压力，然后取出压裂后的颗粒，并在显示屏上显示材料的颗粒强度，之后进行其他各项(粒度、比表面积)测试。

3、粒度、比表面积测试方法

按照国家标准GB/T24533-2019《锂离子电池石墨类负极材料》测试材料的粒度和比表面积。

软包性能测试：

本实施例提供了一种5Ah软包电池，其原料组成及测试项目如下：

正极活性材料及其物理性能如表1所示，导电剂为乙炔黑，粘结剂为聚偏氟乙烯，正极极片中正极活性材料、乙炔黑和聚偏氟乙烯的质量比为96:2:2，正极集流体为铝箔；负极活性材料及其物理性能如表1所示，导电剂为碳纳米管，粘结剂为丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠，负极极片中人造石墨、碳纳米管、丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠的质量比为95:2:1.5:1.5，负极集流体为铜箔；隔离膜为celegard2400，电解液为LiPF₆溶液（溶剂为体积比1:1的碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯，LiPF₆浓度为1.3mol/L）

分别测试实施例1~5以及对比例1~2的软包电池的循环性能（1C/1C，2.8~4.35V，25±3℃）、倍率性能（2C恒流比，恒流容量/（恒流容量+恒压容量），同时以3C/1C进行1000周循环后解剖观察是否析锂，若负极表面析锂区域面积小于0％认为是极片良好，负极表面析锂区域面积小于5％认为是轻微析锂，负极表面析锂区域面积为5~50％认为是中度析锂，负极表面析锂区域面积大于50％认为是严重析锂。结果如表1所示。

表1

从表1可以看出，实施例1通过将正负极活性材料的颗粒强度的比值控制在合适范围内，能够防止电池析锂，改善电池的循环性能；同时实施例1还通过控制正负极活性材料的压实密度，可实现正负极锂离子的脱锂和嵌锂之间的平衡，提升电池的倍率和循环性能。实施例2的负极活性材料压实密度高，离子嵌入速度慢，极化大，导致轻微析锂。实施例3的正极材料颗粒强度低，但是压实密度高；负极材料材料颗粒强度大，压实密度低，材料的电子接触不好，正负极材料的动力学失衡，出现轻微析锂。实施例4的正极动力学性能良好，而负极活性材料粒度大，压实密度低，负极嵌锂速度慢，正负极动力学失衡，同样也会出现轻微析锂。实施例5正极材料的颗粒强度、压实密度适中，负极的颗粒强度小，压实密度低，动力学差，出现轻微析锂。对比例1正负极的压实密度过高，动力学性能偏差，导致电池严重析锂。对比例2的正极活性材料的颗粒强度大，粒度小，压实密度低，充放电过程中正极脱锂速率快，同时负极活性材料的颗粒强度小，粒度大，压实密度高，充放电过程中负极嵌锂速率慢，使其正负极材料嵌锂脱锂速度相差较大，正负极动力学极度失衡，出现严重析锂。

由此可见，如果正极极片的压实密度过高，粒度较大，会造成充放电过程中锂离子的脱嵌速率过慢，影响倍率性能，且压实密度过高，保液性能偏差，降低循环性能；如果负极极片的压实密度过高，颗粒强度较小，容易过压，造成充放电过程中锂离子的嵌入速率过慢，影响充电能力，使其在大倍率条件下电池容易析锂，同时电解液较难进入极片层间，降低循环性能。因此选择具有合适的颗粒强度和压实密度的正负极活性材料，使正负极在充放电过程中锂离子的嵌脱速率平衡，避免造成电池析锂，对提高电池的倍率和循环性能非常重要。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种锂离子电池极片，包括正极极片和负极极片，所述正极极片包括正极活性材料，所述负极极片包括负极活性材料；其特征在于，

所述正极活性材料的颗粒强度WA和所述负极活性材料的颗粒强度WB满足0.5≤WA/WB≤15，其中WA和WB的单位均为MPa，WA的取值为110~250和/或WB的取值为30~200；

所述正极活性材料为LiCoO₂、LiMnO₂、三元材料中的至少一种；

所述负极活性材料为人造石墨、天然石墨中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池极片，其特征在于，WA和WB满足：2≤WA/WB≤2.5。

3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述正极活性材料的颗粒强度WA和所述正极活性材料的压实密度ZA满足：160≤WA+ZA*15≤390，其中ZA的单位为g/cm³。

4.根据权利要求3所述的锂离子电池极片，其特征在于，ZA的取值为3~3.7。

5.根据权利要求1或2所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述负极活性材料的颗粒强度WB和所述负极活性材料的压实密度ZB满足：50≤WB+ZB*15≤200，其中ZB的单位为g/cm³。

6.根据权利要求5所述的锂离子电池极片，其特征在于，ZB的取值为1~1.7。

7.根据权利要求1所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述正极活性材料的粒度D50为2~10μm；和/或，

所述负极活性材料的粒度D50为5~30μm。

8.根据权利要求1所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述正极活性材料的比表面积为0.1~1m²/g；和/或，

所述负极活性材料的比表面积为1~2m²/g。

9.一种电池，包括电池极片、隔离膜和电解液，其特征在于，所述电池极片为权利要求1~8任一项所述锂离子电池极片。