CN115148960A - 负极极片及包含该负极极片的电化学装置、电子装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种负极极片、电化学装置及电子装置。本申请的负极极片包括集流体、第一活性物质层以及位于所述集流体和第一活性物质层之间的第二活性物质层，其中，所述第一活性物质层包括第一硅基材料颗粒，所述第二活性物质层包括第二硅基材料颗粒，所述第一硅基材料颗粒中锂元素的质量百分含量为A％，所述第二硅基材料颗粒中锂元素的质量百分含量为B％，其中A＞B。本申请改善了负极极片中硅材料对集流体的膨胀，缓解极片膨胀应力，避免由于集流体变形导致的界面问题，从而改善循环后极片脱膜、电极组件变形，改善循环膨胀，达到提升能量密度及循环性能、减小循环膨胀的效果。

Description

负极极片及包含该负极极片的电化学装置、电子装置
技术领域
本申请涉及储能技术领域，尤其涉及一种负极极片和包含该负极极片的电化学装置、电子装置。
背景技术
硅基材料具有高达4200mAh/g的理论比容量，是具有应用前景的下一代电化学装置的负极活性物质。然而，硅基材料在充放电过程中具有约300％的体积膨胀，产生巨大的机械应力，在循环过程中也易出现由于横向膨胀而导致活性物质层从集流体上脱落，即脱膜，或是造成集流体的褶皱甚至撕裂现象，进而导致电化学装置在充放电过程中电子无法传输，造成整个电化学装置的失效。同时由于集流体的褶皱，电极组件产生变形，导致影响电化学装置的循环膨胀及安全性能，制约了硅材料的应用。
通常为了解决集流体的褶皱或者撕裂问题需要降低活性物质中的硅含量、增加极片中粘结剂的用量、提升集流体的厚度来改善集流体褶皱及电化学装置变形问题。但无论是降低硅材料含量、增加粘结剂用量、提升集流体厚度，都会增加电化学装置内非活性材料的占比，导致能量密度的降低，减小了硅材料带来的能量密度提升优势，制约了硅材料的进一步应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本申请提供了一种负极极片，该负极极片通过调整活性物质层中硅基材料的补锂的质量分布，有利于改善硅基材料对集流体的膨胀，缓解极片膨胀应力，避免由于集流体变形导致的界面问题，从而改善循环后极片脱膜、电极组件变形，改善循环膨胀，达到能量密度提升、提升循环性能、平衡循环膨胀的效果。本申请还涉及包括这种负极极片的电化学装置。
本申请的第一方面提供了一种负极极片，该负极极片包括集流体、第一活性物质层以及位于集流体和第一活性物质层之间的第二活性物质层，其中，第一活性物质层包括第一硅基材料颗粒，第二活性物质层包括第二硅基材料颗粒，第一硅基材料颗粒中锂元素的质量百分含量为A％，第二硅基材料颗粒中锂元素的质量百分含量为B％，其中A＞B。
根据本申请的一些实施方式，8≤A≤15，0≤B≤3。根据申请的一些实施方式，A/B≥5。
根据本申请的一些实施方式，第一硅基材料颗粒包括Li2SiO3、Li4SiO4或Li2Si2O5中的一种或多种。
根据本申请的一些实施方式，第一硅基材料颗粒的表面具有MxSiOy或碳中的一种或多种，其中，M包括Mg、Al、Zn、Ca、Ba或B中的至少一种，0<x<3，0.5<y<6。
根据本申请的一些实施方式，第二硅基材料颗粒包括SiOx，其中，0.6≤x≤1.5。
根据本申请的一些实施方式，第二硅基材料颗粒满足：0＜I2/I1≤1，其中，I1表示第二硅基材料颗粒的X射线衍射图谱的2θ在28.0°至29.5°的峰的最高强度，I2表示第二硅基材料颗粒的X射线衍射图谱的2θ在20.0°至21.5°的峰的最高强度。
根据本申请的一些实施方式，第一硅基材料颗粒的平均粒径Dv50大于第二硅基材料颗粒的平均粒径Dv50，第一硅基材料颗粒的平均粒径Dv50满足5μm≤Dv50≤25μm，第二硅基材料颗粒的平均粒径Dv50满足1μm≤Dv50≤8μm。
根据本申请的一些实施方式，第一活性物质层的孔隙率为K1％，第二活性物质层的孔隙率K2％，K1>K2，25＜K1＜60，23＜K2＜55。
根据本申请的一些实施方式，第一活性物质层和第二活性物质层还各自独立地包括人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、钛酸锂、软碳或硬碳中的至少一种。
本申请的第二方面提供了一种电化学装置，其包含第一方面的负极极片。
本申请的第三方面提供了一种电子装置，其包含第二方面的电化学装置。
本申请通过调整活性物质层中硅基材料的锂的质量分布，使靠近集流体的活性物质层中硅基材料的锂的含量低于远离集流体的活性物质层中硅基材料的锂的含量，减少靠近集流体的活性物质层对集流体的膨胀，避免由于集流体变形导致的界面问题，从而改善循环后极片脱膜、电极组件变形，改善循环膨胀，达到能量密度提升、提升循环性能、平衡循环膨胀的效果。
附图说明
图1为本申请的一个实施例的负极极片的结构示意图，其中，1为第一活性物质层，2为第二活性物质层，3为集流体。
图2为本申请的另一个实施例的负极极片的结构示意图，其中，1为第一活性物质层，2为第二活性物质层，3为集流体。
图3为实施例1和对比例1的循环膨胀对比图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在此所描述的有关实施例为说明性质的且用于提供对本申请的基本理解。本申请的实施例不应该被解释为对本申请的限制。本领域技术人员基于本申请提供的技术方案及所给出的实施例，所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另有说明，本申请中使用的术语具有本领域技术人员通常所理解的公知含义。除非另有说明，本申请中提到的各参数的数值可以用本领域常用的各种测量方法进行测量(例如，可以按照在本申请的实施例中给出的方法进行测试)。
术语“约”用以描述及说明小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指代其中事件或情形精确发生的例子以及其中事件或情形极近似地发生的例子。举例来说，当结合数值使用时，术语可指代小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％。另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。
术语“中的至少一者”、“中的至少一个”、“中的至少一种”或其他相似术语所连接的项目的列表可意味着所列项目的任何组合。例如，如果列出项目A及B，那么短语“A或B中的至少一者”意味着仅A；仅B；或A及B。在另一实例中，如果列出项目A、B及C，那么短语“A、B或C中的至少一者”意味着仅A；或仅B；仅C；A及B(排除C)；A及C(排除B)；B及C(排除A)；或A、B及C的全部。项目A可包含单个组分或多个组分。项目B可包含单个组分或多个组分。项目C可包含单个组分或多个组分。
与硅材料相比，SiOx材料的理论比容量为2000mAh/g左右，因为具有硅与氧化物的混相结构，能够有效的缓解硅在充放电过程的体积效应，提高了材料的循环稳定性，从而更容易实现商业化应用。具体来说，SiOx在首次嵌锂过程中，锂硅酸盐及Li2O的不可逆相可以用作在锂化/去锂化过程中抵抗体积变化的缓冲基质。因此通过调整SiOx材料的氧含量，可以改变其缓冲相的比例，从而改善膨胀特性，增强SiOx的循环性能。但随氧含量增加，锂硅酸盐及Li2O的不可逆相会增加，导致首次库存效率降低，从而又降低了能量密度优势。为了解决SiOx材料首次效率偏低这一问题，人们开发了多种补Li策略，补偿首次充电的过程中在负极消耗的Li，得到了高首效硅材料，进一步解决其能量密度问题。但由于预锂化是放热反应，且往往需要高温烧结，其预锂化得到的硅材料的基元硅晶粒在高温中长大，导致预锂化后的硅材料虽然首次效率提升，但循环性能和膨胀特性都有所恶化。为了解决上述技术问题，本申请提供一种负极极片，以及包括该负极极片的电化学装置和电子装置。
一、负极极片
本申请提供的负极极片包括集流体、第一活性物质层以及位于集流体和第一活性物质层之间的第二活性物质层，其中，第一活性物质层包括第一硅基材料颗粒，第二活性物质层包括第二硅基材料颗粒，第一硅基材料颗粒中锂元素的质量百分含量为A％，第二硅基材料颗粒中锂元素的质量百分含量为B％，其中A＞B。本申请通过调整活性物质层中硅基材料的锂的质量分布，使靠近集流体的活性物质层中硅基材料的锂的含量低于远离集流体的活性物质层中硅基材料的锂的含量，减少靠近集流体的活性物质层对集流体的膨胀，避免由于集流体变形导致的界面问题，从而改善循环后极片脱膜、电极组件变形，改善循环膨胀，达到能量密度提升、提升循环性能、平衡循环膨胀的效果。
如图1所示，本申请的一些实施例提供了一种负极极片，该负极极片包括集流体3和活性物质层，其中活性物质层包括第一活性物质层1和第二活性物质层2。应该理解，虽然图1中将活性物质层示出为位于集流体的一侧上，但是这仅是示例性的，活性物质层可以如图2所示位于集流体的两侧上。在一些实施例中，负极极片的集流体可以包括铜箔、铝箔、镍箔或碳基集流体中的至少一种。
根据本申请的一些实施方式，8≤A≤15。在本申请的一些实施例中，A为8.5、9.0、9.5、10、10.5、11.0、11.5、12.0、12.5、13.0、13.5、14.0、14.5或它们之间的任意值。第一硅基材料颗粒中锂元素的质量百分含量过高，会在预锂化过程中需要较高的温度，导致基元硅晶粒尺寸长大，不利于循环及降低膨胀。
根据本申请的一些实施方式，0≤B≤3。在一些实施例中，B为0、0.1、0.3、0.7、0.9、1.0、1.1、1.3、1.5、1.7、1.9、2.0、2.3、2.5、2.7、2.9或它们之间的任意值。第二硅基材料颗粒中锂元素的质量百分含量过高，会由于预锂化程度较高，在预锂化过程中放热，导致基元硅晶粒长大，循环中体积膨胀增大，恶化对集流体的膨胀及变形。
根据申请的一些实施方式，A/B≥5。在一些实施例中，A/B为5、7、10、15、20或30。本申请中通过控制合适的A/B值可以平衡能量密度及循环寿命、以及循环膨胀性能。A/B的比值过低，会导致化成后整体极片参与循环的活性锂比例下降，影响电化学装置的能量密度，无法体现硅体系的能量密度优势。
根据本申请的一些实施方式，第一硅基材料颗粒包括Li2SiO3、Li4SiO4或Li2Si2O5中的一种或多种。根据本申请的一些实施方式，第一硅基材料颗粒的表面具有MxSiOy或碳中的一种或多种，其中，M包括Mg、Al、Zn、Ca、Ba或B中的至少一种，0<x<3，0.5<y<6。本申请的第一硅基材料颗粒在X射线衍射图案中存在Li2SiO3、Li4SiO4或Li2Si2O5等特征峰，其首次效率高，能够显著提升能量密度。在本申请的一些实施例中，第一硅基材料颗粒包括经过预锂化的硅氧化物，其中预锂化方法可采用本领域常规方法。
根据本申请的一些实施方式，第二硅基材料颗粒包括SiOx，其中，0.6≤x≤1.5。在一些实施例中，第二硅基材料颗粒包括纳米Si晶粒、SiO、SiO2或其任意组合。
根据本申请的一些实施方式，第二硅基材料颗粒满足：0＜I2/I1≤1，其中，I1表示第二硅基材料颗粒的X射线衍射图谱的2θ在28.0°至29.5°的峰的最高强度，I2表示第二硅基材料颗粒的X射线衍射图谱的2θ在20.0°至21.5°的峰的最高强度。在一些实施例中，I2/I1为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或它们之间的任意值。I2/I1大于1时，硅负极材料内部的纳米硅晶粒尺寸大，导致负极的膨胀过大，不利于循环性能。
根据本申请的一些实施方式，第一硅基材料颗粒的平均粒径Dv50大于第二硅基材料颗粒的平均粒径Dv50。当第一活性物质层中硅基材料颗粒的Dv50大于第二活性物质层中硅基材料颗粒的Dv50时，由于底层硅尺寸小、循环膨胀低，对集流体的膨胀力较小，因此循环后极片撕裂率显著降低。在一些实施例中，第一硅基材料颗粒的平均粒径Dv50满足5μm≤Dv50≤25μm，例如7μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、15μm、17μm、19μm、20μm、23μm等。在一些实施例中，第二硅基材料颗粒的平均粒径Dv50满足1μm≤Dv50≤8μm，例如2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm等。本申请中Dv50是采用激光散射粒度仪测试得到的体积基准分布累计50％的颗粒直径。
根据本申请的一些实施方式，第一活性物质层的孔隙率为K1％，第二活性物质层的孔隙率K2％，K1>K2。第一活性物质层孔隙率小于第二活性物质层孔隙率时，由于锂离子难以扩散，导致循环后出现析锂，容量显著恶化。而第一活性物质层孔隙率大于第二活性物质层孔隙率时，可改善锂离子电池的循环性能及动力学性能，大孔隙率有利于电解液浸润及改善锂离子扩散，从而进一步降低循环后负极析锂的风险，避免由于析锂导致的循环衰减。在一些实施例中，25＜K1＜60，例如30、32、34、36、38、40、43、45、50、55等。在一些实施例中，23＜K2＜55，例如25、26、27、28、29、30、33、35、40、45、50等。
根据本申请的一些实施方式，第一活性物质层和第二活性物质层还各自独立地包括人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、钛酸锂、软碳或硬碳中的至少一种。
根据本申请的一些实施方式，第一活性物质层的厚度为0.2μm至200μm，第二活性物质层的厚度为0.2μm至200μm。如果第一活性物质层或第二活性物质层的厚度太小，则不能保持足够的活性物质，影响能量密度。另一方面，如果第一活性物质层或第二活性物质层的厚度太大，则不利于电解液在靠近集流体的活性物质层中(即第一活性物质层)的液相扩散。
根据本申请的一些实施方式，第一活性物质层中的硅元素的质量百分含量为0.1％至40％。根据本申请的一些实施方式，第二活性物质层中的硅元素的质量百分含量为0.1％至20％。
根据本申请的一些实施方式，第一活性物质层中的硅元素的质量百分含量大于第二活性物质层中的硅元素的质量百分含量硅元素含量。第一活性物质层中的硅元素的质量百分含量大于第二活性物质层中的硅元素的质量百分含量，可有效减小集流体所受的硅基材料颗粒延展形成的应力，减少活性物质层剥离、电极组件变形及集流体被撕裂的现象。
根据本申请的一些实施方式，第一活性物质层和第二活性物质层还各自独立地包括导电剂和/或粘结剂。在一些实施例中，导电剂包括导电炭黑、乙炔黑、碳纳米管、科琴黑、导电石墨或石墨烯中的至少一种。在一些实施例中，导电剂占活性物质层的质量百分含量为0.5％至10％。在一些实施例中，粘结剂包括聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚六氟丙烯或丁苯橡胶中的至少一种。在一些实施例中，粘结剂占活性物质层的质量百分含量为0.5％至10％。本申请的负极极片可以采用本领域的公知方法进行制备。通常，将负极活性材料以及可选的导电剂(例如碳黑等碳素材料和金属颗粒等)、粘结剂(例如SBR)、其他可选添加剂(例如PTC热敏电阻材料)等材料混合在一起分散于溶剂(例如去离子水)中，搅拌均匀后均匀涂覆在负极集流体上，烘干后即得到含有负极活性物质层的负极。可以使用金属箔或多孔金属板等材料作为负极集流体。
根据本申请的一些实施方式，本申请的负极极片的厚度为3μm至500μm。
二、电化学装置
本申请的电化学装置包括发生电化学反应的任何装置，它的具体实例包括所有种类的一次电池、二次电池。特别地，该电化学装置是锂二次电池，包括锂金属二次电池、锂离子二次电池、锂聚合物二次电池或锂离子聚合物二次电池。在一些实施例中，本申请的电化学装置包括正极、负极、隔离膜和电解液。
1、负极
本申请的电化学装置中的负极包括第一方面的负极极片。
2、正极
可用于本申请的实施例中正极的材料、构成和其制造方法包括任何现有技术中公开的技术。
根据本申请的一些实施方式，正极包括集流体和位于该集流体上的正极活性材料层。根据本申请的一些实施方式，正极活性材料包括，但不限于：钴酸锂(LiCoO2)、镍钴锰酸锂(NCM)、镍钴铝酸锂、磷酸亚铁锂(LiFePO4)或锰酸锂(LiMn2O4)。
根据本申请的一些实施方式，正极活性材料层还包括粘合剂，并且可选地包括导电材料。粘合剂提高正极活性材料颗粒彼此间的结合，并且还提高正极活性材料与集流体的结合。在一些实施方式中，粘结剂包括：聚乙烯醇、羟丙基纤维素、二乙酰基纤维素、聚氯乙烯、羧化的聚氯乙烯、聚氟乙烯、含亚乙基氧的聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏1,1-二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、丙烯酸(酯)化的丁苯橡胶、环氧树脂或尼龙等。
根据本申请的一些实施方式，导电材料包括，但不限于：基于碳的材料、基于金属的材料、导电聚合物和它们的混合物。在一些实施例中，基于碳的材料选自碳黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维、碳纳米管或其任意组合。在一些实施例中，基于金属的材料选自金属粉、金属纤维、铜、镍、铝或银。在一些实施例中，导电聚合物为聚亚苯基衍生物。
根据本申请的一些实施方式，集流体可以包括，但不限于：铝。
3、电解液
可用于本申请实施例的电解液可以为现有技术中已知的电解液。
在一些实施例中，电解液包括有机溶剂、锂盐和添加剂。根据本申请的电解液的有机溶剂可为现有技术中已知的任何可作为电解液的溶剂的有机溶剂。根据本申请的电解液中使用的电解质没有限制，其可为现有技术中已知的任何电解质。根据本申请的电解液的添加剂可为现有技术中已知的任何可作为电解液添加剂的添加剂。
在一些实施例中，有机溶剂包括，但不限于：碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸亚丙酯或丙酸乙酯。
在一些实施例中，锂盐包括，但不限于：六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、双三氟甲烷磺酰亚胺锂LiN(CF3SO2)2(LiTFSI)、双(氟磺酰)亚胺锂Li(N(SO2F)2)(LiFSI)、双草酸硼酸锂LiB(C2O4)2(LiBOB)或二氟草酸硼酸锂LiBF2(C2O4)(LiDFOB)。
在一些实施例中，电解液中锂盐的浓度为：约0.5mol/L至3mol/L、约0.5mol/L至2mol/L或约0.8mol/L至1.5mol/L。
4、隔离膜
本申请的电化学装置中使用的隔离膜的材料和形状没有特别限制，其可为任何现有技术中公开的技术。在一些实施例中，隔离膜包括由对本申请的电解液稳定的材料形成的聚合物或无机物等。
例如隔离膜可包括基材层和表面处理层。基材层为具有多孔结构的无纺布、膜或复合膜，基材层的材料选自聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺中的至少一种。具体的，可选用聚丙烯多孔膜、聚乙烯多孔膜、聚丙烯无纺布、聚乙烯无纺布或聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯多孔复合膜。
基材层的至少一个表面上设置有表面处理层，表面处理层可以是聚合物层或无机物层，也可以是混合聚合物与无机物所形成的层。
无机物层包括无机颗粒和粘结剂，无机颗粒选自氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钛、二氧化铪、氧化锡、二氧化铈、氧化镍、氧化锌、氧化钙、氧化锆、氧化钇、碳化硅、勃姆石、氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙和硫酸钡中的至少一种。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、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯烷氧、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和聚六氟丙烯中的至少一种。
聚合物层中包含聚合物，聚合物的材料选自聚酰胺、聚丙烯腈、丙烯酸酯聚合物、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯烷氧、聚偏氟乙烯、聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)中的至少一种。
三、电子装置
本申请进一步提供了一种电子装置，其包括本申请第二方面的电化学装置。
本申请的电子设备或装置没有特别限定。在一些实施例中，本申请的电子设备包括但不限于，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、无人机、电机、汽车、摩托车、助力自行车、自行车、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。以下通过具体实施例对本申请的技术方案做示例性描述：
实施例1
1、负极极片的制备
集流体采用铜箔，厚度为10μm；第一活性物质采用预锂化的硅氧化物和石墨，其中预锂化的硅氧化物中包括Li2SiO3、Li4SiO4或Li2Si2O5中的一种或多种；第二活性物质采用SiO1.2和人造石墨以及可选的预锂化的SiO1.2；导电剂采用乙炔黑；粘结剂采用丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠。将第二活性物质(15％SiO1.2和可选的预锂化的SiO1.2+85％石墨)、乙炔黑、丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠按重量比96:1:1.5:1.5混合后分散于去离子水中形成浆料，搅拌均匀后涂布于铜箔上，干燥，形成第二活性物质层，第二活性物质层的厚度为25μm，第二活性物质层中的硅元素的质量百分含量为5％。将第一活性物质(15％预锂化的硅氧化物+85％石墨)、乙炔黑、丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠按重量比96:1:1.5:1.5混合后分散于去离子水中形成浆料，搅拌均匀后涂布于涂覆于第二活性物质层上，干燥，形成第一活性物质层，第一活性物质层的厚度为80μm，第一活性物质层中的硅元素的质量百分含量为15％。冷压、分条后得到负极极片。
2、正极极片的制备
取正极活性物质LiCoO2、乙炔黑、粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)按质量比94:3:3在N-甲基吡咯烷酮溶剂体系中充分搅拌混合均匀后，涂覆于铝箔上，再经烘干、冷压，得到正极极片。
3、隔离膜的制备
将聚偏二氟乙烯溶于水，通过机械搅拌形成均匀浆料，将浆料涂布到已经涂布好两面均为陶瓷涂层的多孔基材(聚乙烯)的两侧表面上，烘干后形成隔离膜。
4、电解液的制备
在含水量小于10ppm的环境下，将六氟磷酸锂与非水有机溶剂(碳酸乙烯酯(EC):碳酸二乙酯(DEC):碳酸亚丙酯(PC):丙酸丙酯(PP):碳酸亚乙烯酯(VC))＝20:30:20:28:2，重量比)按重量比8:92配制以形成锂盐浓度为1mol/L的电解液。
5、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，整形等工艺流程得到锂离子电池。
在实施例2-15与对比例1中，正极极片、隔离膜、电解液和锂离子电池制备均与实施例1相同，仅负极极片的制备有些不同，参数的差异示出于相应的下表中。
实施例和对比例的各项性能参数的测定方法
极片孔隙率测试：对满充的锂离子电池进行满放操作，0.1C放电至3.0V，静置5min，重复三次0.1C放电至3.0V后得到满放锂离子电池。拆解后使用固定模具，将极片冲切成直径10mm或者14mm的圆片，测量极片厚度。参考GB/T24586进行极片孔隙率测定。
XRD测试：称取样品1.0g至2.0g倒入玻璃样品架的凹槽内，并用玻璃瓶将其压实和磨平，采用X射线衍射仪按照JJSK 0131-1996《X-射线衍射仪分析法通则》进行测试。测试电压设置为40KV，电流为30mA，扫描角度范围为10°至85°，扫描步长为0.0167°，每个步长所设置的时间为0.24s，得到X射线衍射图案。从图中得到2θ归属于28.4°最高强度数值I2，与归属于21.0°最高强度I1，从而计算出I2/I1比值。
粒度分布测试：50ml洁净烧杯中加入0.02g粉末样品，加入约20ml去离子水，再滴加几滴1％的表面活性剂，使粉末完全分散于水中，120W超声清洗机中超声5min，利用MasterSizer 2000测试粒度分布。通过激光散射粒度仪测试得到体积基准的粒度分布曲线计算样品的Dv50。
容量保持率测试：将锂离子电池在25℃恒温条件下，使用新威机进行充放电，测试其循环性能；充电流程为1.0C充电至上限截止电压，然后以0.5C倍率放电至3.0V，以500次循环后的放电容量与首次循环的放电容量比值，作为容量保持率。
循环膨胀率测试：用平板测厚仪(载重为600g)测试半充(50％Soc)时新鲜锂离子电池的厚度。循环至500圈时，锂离子电池处于满充状态(100％Soc)，再次用平板测厚仪(600g载重)测试此时锂离子电池的厚度，与初始半充的厚度对比，即可得到此时满充锂离子电池的循环膨胀率。
循环后析锂拆解测试：在25℃下，以1C恒定电流将锂离子电池充电至上限截止电压。然后以上限截止电压的恒定电压充电至电流为0.05C，静置2min，然后再以1.5C的恒定电流放电至3.0V，静置2min，以此为一个循环。重复500个循环后，拆解锂离子电池获得电极组件。将电极组件平展铺开，若发现负极极片有任意一处大于2mm2的区域析锂则判定为负极极片析锂。
负极活性物质层脱落/集流体褶皱率：在25℃下，以0.5C恒定电流将锂离子电池充电至上限电压，然后以恒定电压充电至电流为0.05C，静置2min，然后再以0.5C的恒定电流放电至3.0V，静置2min，以此为一个循环。重复100个循环后，拆解锂离子电池获得电极组件，将电极组件平展铺开，若发现负极极片有任意一处大于2mm2的活性物质层从集流体上脱落则判定为负极极片的活性物质层脱落。若发现有任意一处大于1mm2集流体的褶皱则判定为负极集流体褶皱。只要满足以上脱落和撕裂中的其中一种情况即记作负极活性物质层脱落/集流体褶皱变形。
各实施例及对比例测试结果
表1示出了第一硅基材料颗粒中锂元素的质量百分含量为A％和第二硅基材料颗粒中锂元素的质量百分含量为B％对锂离子电池性能的影响。其中实施例1至实施例5以及对比例1中，第一活性物质层中第一硅基材料颗粒的平均粒径DV50为15nm，第二活性物质层中第二硅基材料颗粒的平均粒径DV50为5nm；第一活性物质层的极片孔隙率为42.1％，第二活性物质层的极片孔隙率为38.1％；第一活性物质层中硅元素的质量百分含量为15％，第二活性物质层中硅元素的质量百分含量为5％；第二硅基材料颗粒I2/I1为0.2。
表1
Figure BDA0003001844240000121
从实施例1-5和对比例1的对比可以看出，第一硅基材料颗粒中锂元素的质量百分含量高于第二硅基材料颗粒中锂元素的质量百分含量时，对循环后容量保持率、锂离子电池膨胀率均有显著改善，循环后活性物质层脱落或者集流体褶皱几率显著下降。
对比实施例1-5可以发现当第二硅基材料颗粒中锂元素的质量百分比上升，循环后容量保持率降低，锂离子电池膨胀率、活性物质层脱落/集流体褶皱几率有增加趋势。
表2示出了第一活性物质层中硅元素百分含量D1％、第二活性物质层中硅元素百分含量D2％、第二硅基材料颗粒I2/I1对锂离子电池性能的影响。其中实施例6-10的锂离子电池制备及其余参数与实施例1一致。
表2
Figure BDA0003001844240000131
通过对比实施例1与实施例6-10，可发现随I2/I1增大，循环保持率呈下降规律，因此需要选择0＜I2/I1≤1的硅氧化物。
通过实施例6-10对比，可以发现采用本技术方案，即使上层硅含量增加，循环后仍然没有发生活性物质层脱离/集流体褶皱现象，有效改善了该问题。
表3示出了第一活性物质层极片孔隙率K1％以及第二活性物质层极片孔隙率K2％对锂离子电池性能的影响。其中实施例11-15的锂离子电池制备及其余参数与实施例1一致，通过调整工艺，得到不同极片孔隙率。
表3
Figure BDA0003001844240000132
通过实施例11-15对比可发现，当第一活性物质层极片孔隙率大于第二活性物质层极片孔隙率时，可改善锂离子电池的循环性能及动力学性能，大孔隙率有利于电解液浸润及改善锂离子扩散，从而降低循环后负极析锂的风险，避免由于析锂导致的循环衰减。
表4示出了第一硅基材料颗粒的平均粒径DV50以及第二硅基材料颗粒的平均粒径DV50对锂离子电池性能的影响。其中实施例16-20的锂离子电池制备及其余参数与实施例1一致，通过调整不同材料的DV50进而得到实施例16-20。
表4
Figure BDA0003001844240000141
通过实施例16-20对比可发现当第一硅基材料颗粒DV50＞第二硅基材料颗粒DV50时候，由于底层硅尺寸小、循环膨胀低，对集流体的膨胀力较小，因此循环后极片撕裂率显著降低。
尽管已经演示和描述了说明性实施例，本领域技术人员应该理解上述实施例不能被解释为对本申请的限制，并且可以在不脱离本申请的精神、原理及范围的情况下对实施例进行改变，替代和修改。

Claims (12)

1.一种负极极片，包括集流体、第一活性物质层以及位于所述集流体和所述第一活性物质层之间的第二活性物质层，
其中，所述第一活性物质层包括第一硅基材料颗粒，所述第二活性物质层包括第二硅基材料颗粒，所述第一硅基材料颗粒中锂元素的质量百分含量为A％，所述第二硅基材料颗粒中锂元素的质量百分含量为B％，其中A＞B。
2.根据权利要求1所述的负极极片，其中，8≤A≤15，0≤B≤3。
3.根据权利要求2所述的负极极片，其中，A/B≥5。
4.根据权利要求1所述的负极极片，其中，所述第一硅基材料颗粒包括Li2SiO3、Li4SiO4或Li2Si2O5中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的负极极片，其中，所述第一硅基材料颗粒的表面具有MxSiOy或碳中的一种或多种，其中，M包括Mg、Al、Zn、Ca、Ba或B中的至少一种，0<x<3，0.5<y<6。
6.根据权利要求1所述的负极极片，其中，所述第二硅基材料颗粒包括SiOx，其中，0.6≤x≤1.5。
7.根据权利要求6所述的负极极片，其中，所述第二硅基材料颗粒满足：0＜I2/I1≤1，其中，I1表示所述第二硅基材料颗粒的X射线衍射图谱的2θ在28.0°至29.5°的峰的最高强度，I2表示所述第二硅基材料颗粒的X射线衍射图谱的2θ在20.0°至21.5°的峰的最高强度。
8.根据权利要求1所述的负极极片，其中，所述第一硅基材料颗粒的平均粒径Dv50大于所述第二硅基材料颗粒的平均粒径Dv50，所述第一硅基材料颗粒的平均粒径Dv50满足5μm≤Dv50≤25μm，所述第二硅基材料颗粒的平均粒径Dv50满足1μm≤Dv50≤8μm。
9.根据权利要求1所述的负极极片，其中，所述第一活性物质层的孔隙率为K1％，所述第二活性物质层的孔隙率K2％，K1>K2，25＜K1＜60，23＜K2＜55。
10.根据权利要求1所述的负极极片，其中，所述第一活性物质层和所述第二活性物质层还各自独立地包括人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、钛酸锂、软碳或硬碳中的至少一种。
11.一种电化学装置，其包括如权利要求1至10中任一项所述的负极极片。
12.一种电子装置，其包括如权利要求11所述的电化学装置。
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