CN115188922A - 硅基负极极片及含该负极极片的二次电池、用电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种硅基负极极片及含该负极极片的二次电池、用电装置,包括负极集流体和涂覆于所述负极集流体至少一表面的负极活性物质层,所述负极活性物质层包括硅基材料;其中,以负极集流体的厚度为a,单位为μm;以单位面积负极活性物质层的涂覆重量为b,单位为g/cm2;以单位重量负极活性物质层中Si元素的质量分数为c;满足以下关系式:0.15≤b*c/a≤0.40。本发明同步匹配a、b、c满足上述关系式,可保证负极极片在充放电过程中极片界面的平整性,能最大限度的体现出硅负极极片的电化学性能优势,由此有效改善了目前硅负极因体积膨胀效应大而导致的极片界面平整性差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及二次电池领域,具体涉及一种硅基负极极片及含该负极极片的二次电池、用电装置。
背景技术
锂离子电池自问世以来凭借其循环寿命长、能量密度高、无记忆效应等优点得到快速发展,其中提升其单体能量密度一直是其核心发展需求。虽然提升电池能量密度方法虽然有很多,但只有新型高比容量活性材料成功大规模商用化才能推动行业前进一大步。
而当前阶段综合来看,采用硅材料作为负极活性材料依然是提升能量密度最显著、商用可行性最佳的技术路线。目前限制硅负极大规模商用的其中一个重大难题是因其充放电过程中体积膨胀效应巨大,其极片平整性难以控制,进而影响电池整体性能的表现。
有鉴于此,确有必要提供一种解决上述问题的技术方案。
发明内容
本发明的目的之一在于:针对现有技术的不足,提供一种硅基负极极片,以改善目前硅负极因体积膨胀效应大而导致的极片界面平整性差的问题,进而提升电池的电化学性能。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种硅基负极极片,包括负极集流体和涂覆于所述负极集流体至少一表面的负极活性物质层,所述负极活性物质层包括硅基材料;其中,以负极集流体的厚度为a,单位为μm;以单位面积负极活性物质层的涂覆重量为b,单位为g/cm2;以单位重量负极活性物质层中Si元素的质量分数为c;满足以下关系式:0.15≤b*c/a≤0.40。
优选的,0.20≤b*c/a≤0.35。
优选的,所述负极集流体的厚度a为2~16μm,所述单位面积负极活性物质层的涂覆重量b为5~50g/cm2,所述单位重量负极活性物质层中Si元素的质量分数c为2~50%。
优选的,所述负极集流体的厚度a为4~10μm,所述单位面积负极活性物质层的涂覆重量b为8~30g/cm2,所述单位重量负极活性物质层中Si元素的质量分数c为5~25%。
优选的,所述负极活性物质层的厚度与所述负极集流体的厚度比为(3~6):1。
优选的,所述硅基材料为单质硅及其预锂化产物、硅氧化合物及其预锂化产物、硅碳复合物及其预锂化产物、硅合金及其预锂化产物中的至少一种。
优选的,所述负极活性物质层还包括导电剂和粘结剂,硅基材料与导电剂、粘结剂的质量比为(92~96):(1~3):(3~5)。
优选的,所述负极活性物质层的压实密度为1.3~1.70g/cm3。
本发明的目的之二在于,提供一种二次电池,包括正极极片、负极极片和间隔于所述正极极片和所述负极极片之间的隔膜,所述负极极片为上述任一项所述的硅基负极极片。
本发明的目的之三在于,提供一种用电装置,包括上述所述的二次电池。
相比于现有技术,本发明的有益效果在于:本发明人发现,本发明提供的硅基负极极片,同步匹配负极集流体的厚度a、单位面积负极活性物质层的涂覆重量b以及Si元素的质量分数c满足关系式0.15≤b*c/a≤0.40,可保证负极极片在充放电过程中极片界面的平整性,能最大限度的体现出硅负极极片的电化学性能优势,由此有效改善了目前硅负极因体积膨胀效应大而导致的极片界面平整性差的问题。
附图说明
图1为本发明界面拆解情况的示意图。
图2为本发明实施例3、8和对比例4的循环寿命测试图。
具体实施方式
1、硅基负极极片
本发明第一方面旨在提供一种硅基负极极片,包括负极集流体和涂覆于所述负极集流体至少一表面的负极活性物质层,所述负极活性物质层包括硅基材料;其中,以负极集流体的厚度为a,单位为μm;以单位面积负极活性物质层的涂覆重量为b,单位为g/cm2;以单位重量负极活性物质层中Si元素的质量分数为c;满足以下关系式:0.15≤b*c/a≤0.40。
本发明人发现硅基负极极片在充放电后的极片界面平整性与负极集流体的厚度a、单位面积涂覆重量b、Si元素的质量分数c三者紧密联系,以无量纲特征系数γ=b*c/a,当γ满足0.15≤γ≤0.40时,可保证负极极片在充放电过程中极片界面的平整性,同时能最大限度的体现出硅负极极片的电化学性能优势。
当γ值越高时,极片充放电过程中的应力越大,越不利于保持极片界面的平整性,但同时相对而言有更高的能量密度。具体的,当Si元素的质量分数c与单位面积涂覆重量b越高时,则对应的γ值越高;和/或负极集流体的厚度a越低时,则对应的γ值越高。
当γ值越低时,极片充放电过程中的应力越小,对于控制极片界面的平整性也更有利,但同时也就牺牲了较多的能量密度来保证极片的界面平整性,该措施与利用掺硅负极来提升电池能量密度的初衷背道而驰,无法显现出掺硅负极的性能优势,不利于硅负极推广应用。具体的,当负极集流体的厚度a越高时,则对应的γ值越低;和/或当Si元素的质量分数c与单位面积涂覆重量b越低时,则对应的γ值越低。
而本发明通过合理平衡上述的a、b、c,在满足上述关系式条件下,可在保证界面平整性的同时最大限度体现硅基负极极片的性能优势。具体的,上述关系式可为0.15≤b*c/a≤0.18、0.18≤b*c/a≤0.20、0.20≤b*c/a≤0.22、0.22≤b*c/a≤0.25、0.25≤b*c/a≤0.28、0.28≤b*c/a≤0.30、0.30≤b*c/a≤0.32、0.32≤b*c/a≤0.35、0.35≤b*c/a≤0.38或0.38≤b*c/a≤0.40。优选的满足关系式0.20≤b*c/a≤0.35。更优选的,满足关系式0.25≤b*c/a≤0.35。
其中,本发明所述的a、b、c的测定方法可为:
1)负极集流体的厚度a的测定:通过常规千分尺、万分尺,CCD等直接测量得到。
2)单位面积负极活性物质层的涂覆重量b的测定:通过常规称重法相减得到。
3)单位重量负极活性物质层中Si元素的质量分数c的测定:负极极片经硝酸+氢氟酸+纯净水进行微波消解,然后稀释定容后得到样品液,对比样品液与标液的ICP-MS数据并计算可得硅元素的质量分数c值。
在一些实施例中,所述负极集流体的厚度a为2~16μm,具体的可为2~4μm、4~6μm、6~8μm、8~10μm、10~12μm、12~14μm或14~16μm。优选的,负极集流体的厚度a为4~10μm。集流体厚度占比越高,极片的界面平整性越高,相对而言,活性物质层的占比较少,能量密度越低。
在一些实施例中,所述单位面积负极活性物质层的涂覆重量b为5~50g/cm2,具体可为5~10g/cm2、10~13g/cm2、13~15g/cm2、15~18g/cm2、18~20g/cm2、20~24g/cm2、24~28g/cm2、28~30g/cm2、30~35g/cm2、35~40g/cm2、40~45g/cm2或45~50g/cm2。优选的,所述单位面积负极活性物质层的涂覆重量b为8~30g/cm2。更优选的,所述单位面积负极活性物质层的涂覆重量b为14~28g/cm2。涂覆重量越高,相对而言,集流体厚度占比越低,则具有更高的能量密度。
在一些实施例中,所述单位重量负极活性物质层中Si元素的质量分数c为2~50%,具体可为2~5%、5~10%、10~15%、15~20%、20~25%、25~30%、30~35%、35~40%、40~45%或45~50%。Si含量越高,当然对于能量密度的提升也就越显著,但同时其带来的体积膨胀效应也就更严重,同步控制单位面积的涂覆重量b和集流体厚度a,使得三者达到相互制衡的作用,可在保证能量密度的同时,尽可能的抑制硅元素的体积膨胀效果,以提高极片界面的平整性。优选的,所述单位重量负极活性物质层中Si元素的质量分数c为5~25%。更优选的,所述单位重量负极活性物质层中Si元素的质量分数c为5~20%,在该范围内应用本发明关系式能达到更优选的效果。
在一些实施例中,所述负极活性物质层的厚度与所述负极集流体的厚度比为(3~6):1,具体可为3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1。该厚度范围的负极活性物质层,通过集流体的厚度来同步调控负极活性物质层的厚度,配合单位面积的涂覆重量b和Si元素的质量分数c的调控,整体上对于改善极片界面平整性的效果也会更佳。
在一些实施例中,负极活性物质层的压实密度为1.3~1.70g/cm3。其中优选的硅基负极极片的压实密度与负极集流体厚度a满足以下关系式:p=(2/a)+1.2,通过进一步对负极极片压实密度的调控,不仅能进一步提升电池的能量密度,还可以起到减小内阻,延长循环寿命的作用。此外,同步还调控正极极片的压实密度为3.3~3.7g/cm3进行匹配,可避免因负极极片压实密度过低而出现析锂的情形,也可避免因负极极片压实密度过高而致使离子脱嵌受阻的问题。
在一些实施例中,所述硅基材料为单质硅及其预锂化产物、硅氧化合物及其预锂化产物、硅碳复合物及其预锂化产物、硅合金及其预锂化产物中的至少一种。优选的,所述硅基材料为硅氧化合物及其预锂化产物、硅碳复合物及其预锂化产物中的至少一种,具体可为SiOx、含锂的SiOx、含镁的SiOx、SiOx与碳的复合物、含锂的SiOx与碳的复合物或含镁的SiOx与碳的复合物。
其中,所述含锂的SiOx即是预锂化硅基负极材料,由于硅基材料在首次充电过程中会消耗大量的锂来形成SEI膜,导致电池的首次循环效率降低,可脱嵌锂下降。通过硅基材料预锂化,即在材料端补锂,后续SEI成膜会消耗这部分锂,从而提高了电池的首效。同样的在SiOx中含镁,也能起到改善硅基电池首次循环效率的作用,且在一定程度上还可以改善电池的膨胀和导电性能。优选的,含锂的SiOx中锂的质量占比为0.1~8%;含镁的SiOx中镁的质量占比为0.1~8%。而对于SiOx与碳的复合物中,SiOx的占比可为3~40%,而碳的占比可为60~95%。
在一些实施例中,所述负极活性物质层还包括导电剂和粘结剂,硅基材料与导电剂、粘结剂的质量比为(92~96):(1~3):(3~5)。其中,导电剂可为碳黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。粘结剂可为聚乙烯醇、羧甲基纤维素、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、丁苯橡胶中的至少一种。
2、二次电池
本发明第二方面旨在提供一种二次电池,包括正极极片、负极极片和间隔于所述正极极片和所述负极极片之间的隔膜,所述负极极片为上述任一项所述的硅基负极极片。
在一些实施例中,该正极极片包括正极集流体和涂覆于正极集流体至少一表面的正极活性物质层,所述正极活性物质层包括正极活性物质、导电剂和粘结剂,所述正极活性物质与导电剂、粘结剂的质量比为(93~98):(1~4):(1~4)。
该正极活性物质可以是包括但不限于化学式如LixNihCoyMzO2-dNd(其中0.95≤x≤1.2,h>0,y≥0,z≥0,且h+y+z=1,0≤d≤1,M选自Mn,Al中的一种或多种的组合,N选自F,P,S中的一种或多种的组合)所示的化合物中的一种或多种的组合,所述正极活性物质还可以是包括但不限于LiCoO2、LiNiO2、LiVO2、LiCrO2、LiMn2O4、LiCoMnO4、Li2NiMn3O8、LiNi0.5Mn1.5O4、LiCoPO4、LiMnPO4、LiFePO4、LiNiPO4、LiCoFSO4、CuS2、FeS2、MoS2、NiS、TiS2等中的一种或多种的组合。所述正极活性物质还可以经过改性处理,对正极活性物质进行改性处理的方法对于本领域技术人员来说应该是己知的,例如,可以采用包覆、掺杂等方法对正极活性物质进行改性,改性处理所使用的材料可以是包括但不限于Al、B、P、Zr、Si、Ti、Ge、Sn、Mg、Ce、W等中的一种或多种的组合。该正极集流体可以是本领域各种适用于作为锂离子电池正极集流体的材料,例如,所述正极集流体可以是包括但不限于金属箔等,更具体可以是包括但不限于铝箔等。
而所述隔膜可以是本领域各种适用于锂离子电池隔膜的材料,例如,可以是包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、芳纶、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯和天然纤维等中的一种或多种的组合。
该二次电池还包括电解液,电解液包括有机溶剂、电解质锂盐和添加剂。其中,电解质锂盐可以是高温性电解液中采用的LiPF6和/或LiBOB;也可以是低温型电解液中采用的LiBF4、LiBOB、LiPF6中的至少一种;还可以是防过充型电解液中采用的LiBF4、LiBOB、LiPF6、LiTFSI中的至少一种;亦可以是LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2中的至少一种。而有机溶剂可以是环状碳酸酯,包括PC、EC;也可以是链状碳酸酯,包括DFC、DMC、或EMC;还可以是羧酸酯类,包括MF、MA、EA、MP等。而添加剂包括但不限于成膜添加剂、导电添加剂、阻燃添加剂、防过充添加剂、控制电解液中H2O和HF含量的添加剂、改善低温性能的添加剂、多功能添加剂中的至少一种。
3、用电装置
本发明第三方面旨在提供一种用电装置,包括上述所述的二次电池。
该用电装置可以是车辆、手机、便携式设备、笔记本电脑、轮船、航天器、电动玩具和电动工具等等。车辆可以是燃油汽车、燃气汽车或新能源汽车,新能源汽车可以是纯电动汽车、混合动力汽车或增程式汽车等;航天器包括飞机、火箭、航天飞机和宇宙飞船等等;电动玩具包括固定式或移动式的电动玩具,例如,游戏机、电动汽车玩具、电动轮船玩具和电动飞机玩具等等;电动工具包括金属切削电动工具、研磨电动工具、装配电动工具和铁道用电动工具,例如,电钻、电动砂轮机、电动扳手、电动螺丝刀、电锤、冲击电钻、混凝土振动器和电刨等等。
为使本发明的技术方案和优点更加清楚,下面将结合具体实施方式和说明书附图,对本发明及其有益效果作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种硅基负极极片,包括负极集流体和涂覆于所述负极集流体至少一表面的负极活性物质层,所述负极活性物质层包括硅基材料;其中,以负极集流体的厚度为a,单位为μm;以单位面积负极活性物质层的涂覆重量为b,单位为g/cm2;以单位重量负极活性物质层中Si元素的质量分数为c;满足以下关系式:0.15≤b*c/a≤0.40。
具体的,本实施例中的a为4.5μm;b为21g/cm2;c为6.4%,经计算后b*c/a=0.30,满足上述关系式。
该负极极片的制备方法为:将负极主材石墨和SiO、粘结剂1(PAA)、粘结剂2(SBR)、导电剂(SuperP)等按照94:2.8:1.7:1.5比例进行混合,加入去离子水,在真空搅拌机作用下搅拌混合均匀得到负极浆料;将负极浆料均匀涂覆在负极集流体铜箔上,然后经烘烤、冷压、模切后得到压实密度为1.6g/cm3的硅基负极极片。
将该硅基负极极片应用于二次电池中,二次电池的制备方法为:
1)正极极片的制备:将正极主材NCM(523)、导电剂(SuperP)、粘结剂(PVDF)等按照比例97.5:1.4:1.2比例进行混合,加入溶剂(NMP),在真空搅拌机作用下搅拌混合均匀获得正极浆料;将正极浆料均匀涂覆在正极集流体铝箔上,然后经烘烤、冷压、模切后得到压实密度为3.45g/cm3的正极极片。
2)电解液的制备:将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)按照体积比1:1:1进行混合,接着将充分干燥的锂盐LiPF6按照1mol/L的比例溶解于混合有机溶剂中,配制成电解液。
3)隔膜:采用9μm聚乙烯隔膜单面涂覆陶瓷。
4)将上述正极极片、隔膜、负极极片按顺序叠好,使隔膜处于正、负极极片之间起到隔离的作用,然后卷绕得到裸电芯;将裸电芯置于外包装壳中,将上述制备好的电解液注入到干燥后的裸电芯中,经过真空封装、静置、化成、整形等工序,获得二次电池。
参见上述实施例1的设置及制备方法制备实施例2~14和对比例1~9的硅基负极极片和二次电池,各实施例的不同点在于负极极片的设置,如下表1所述。
对上述得到的实施例1~14和对比例1~9制得的二次电池进行性能检测。
性能测试:
1)界面拆解情况:相同条件下,循环充放电测试3圈后,拆解电池,目视观察硅基负极极片的平整性。具体判断标准为:
L1(优):极片整体保持平整,基本无不良现象;
L2(良):极片整体平整性好,但偶尔局部存在小范围褶皱;
L3(中):极片周期性出现近贯穿式褶皱,伴随局部脱膜等;
L4(差):极片活性材料层碎化严重、大规模脱膜掉粉、露箔或箔材断裂。
2)循环性能测试:在25℃下,将实施例1~14和对比例1~9制备得到的锂离子电池1C充电、1C倍率放电,进行满充满放循环测试,记录循环至80%时的循环圈数。
测试结果如下表1和图1~2所示。
表1
由上述实施例1~14和对比例1~9的对比中可以看出,本发明提供的硅基负极极片,通过同步控制负极集流体的厚度a、单位面积涂覆重量b、Si元素的质量分数c满足上述关系范围内,可有效提升负极极片在充放电过程中极片界面的平整性。
此外,由实施例1~14的对比中还可以看出,当γ值在优选范围内时,匹配合适的集流体厚度a、单位面积涂覆量b、单位重量负极片极涂膜中硅元素质量分数c,还可保证电池的循环性能,特别在较高能量密度下时电池仍具有优异的循环圈数,如实施例1和6。
综上,本发明提供的硅基负极极片,应用于二次电池中,可以有效改善目前硅负极因体积膨胀效应大而导致的极片界面平整性差的问题,同时优选在一定范围内,还可以在保证界面平整性的前提下,提升电池的能量密度以及循环寿命。
根据上述说明书的揭示和教导,本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此,本发明并不局限于上述的具体实施方式,凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外,尽管本说明书中使用了一些特定的术语,但这些术语只是为了方便说明,并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种硅基负极极片,其特征在于,包括负极集流体和涂覆于所述负极集流体至少一表面的负极活性物质层,所述负极活性物质层包括硅基材料;其中,以负极集流体的厚度为a,单位为μm;以单位面积负极活性物质层的涂覆重量为b,单位为g/cm2;以单位重量负极活性物质层中Si元素的质量分数为c;满足以下关系式:0.15≤b*c/a≤0.40。
2.根据权利要求1所述的硅基负极极片,其特征在于,0.20≤b*c/a≤0.35。
3.根据权利要求1或2所述的硅基负极极片,其特征在于,所述负极集流体的厚度a为2~16μm,所述单位面积负极活性物质层的涂覆重量b为5~50g/cm2,所述单位重量负极活性物质层中Si元素的质量分数c为2~50%。
4.根据权利要求3所述的硅基负极极片,其特征在于,所述负极集流体的厚度a为4~10μm,所述单位面积负极活性物质层的涂覆重量b为8~30g/cm2,所述单位重量负极活性物质层中Si元素的质量分数c为5~25%。
5.根据权利要求3所述的硅基负极极片,其特征在于,所述负极活性物质层的厚度与所述负极集流体的厚度比为(3~6):1。
6.根据权利要求1所述的硅基负极极片,其特征在于,所述硅基材料为单质硅及其预锂化产物、硅氧化合物及其预锂化产物、硅碳复合物及其预锂化产物、硅合金及其预锂化产物中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的硅基负极极片,其特征在于,所述负极活性物质层还包括导电剂和粘结剂,硅基材料与导电剂、粘结剂的质量比为(92~96):(1~3):(3~5)。
8.根据权利要求1所述的硅基负极极片,其特征在于,所述负极活性物质层的压实密度为1.3~1.70g/cm3。
9.一种二次电池,包括正极极片、负极极片和间隔于所述正极极片和所述负极极片之间的隔膜,其特征在于,所述负极极片为权利要求1~8任一项所述的硅基负极极片。
10.一种用电装置,其特征在于,包括权利要求9所述的二次电池。
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