CN115241519A

CN115241519A - 锂离子电池

Info

Publication number: CN115241519A
Application number: CN202210947633.8A
Authority: CN
Inventors: 何星星; 黄天翔; 华秉杨
Original assignee: Jiangsu Zenio New Energy Battery Technologies Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Zenio New Energy Battery Technologies Co Ltd
Priority date: 2022-08-09
Filing date: 2022-08-09
Publication date: 2022-10-25

Abstract

本申请提供了一种锂离子电池，涉及电池技术领域。锂离子电池包括正极极片、负极极片以及将正极极片与负极极片分隔的隔离膜。负极极片上设置有补锂层，这样的负极极片形成多层结构，从而提升负极极片自身的结构强度，使得负极极片能够经受更大冲击而不会损坏，使得锂离子电池具有更好的安全性能。并且，补锂层能够在供负极极片形成SEI膜时被消耗，从而弥补供补齐负极形成SEI膜时所消耗的锂离子，使得电池会有更高的首效。本申请通过设置满足预设公式厚度的补锂层，能够使锂离子电池在具备安全性能的基础上获得较大的能量密度，防止锂资源浪费。

Description

锂离子电池

技术领域

本申请涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种锂离子电池。

背景技术

电池的能量密度的提高通过正负极克容量的提高，也可以表现在提高全电池的首效上。提高正负极主材的克容量可以通过补锂来达到此种效果，如正极添加剂补锂，负极原位补锂等。补充的锂能够用于弥补活性锂源的消耗。

然而现有的补锂方案单一，效果较差，最终的能量密度和安全性能难以达到预期。

发明内容

本申请的目的包括提供一种锂离子电池，其具有较高的能量密度，同时具有较高的安全性能。

本申请的实施例可以这样实现：

本申请提供一种锂离子电池，包括：

正极极片，包括正极集流体和铺设于正极集流体的正极活性物质层；

负极极片，包括层叠设置的负极集流体、补锂层以及负极活性物质层，其中，补锂层的厚度满足公式Y＝αX²+βX+γ，X为正极活性物质层的涂布面密度，单位为g/1540.25mm²；Y为补锂层的厚度，单位为nm；α、β、γ为系数，并且α取值为-8000～-12000，β取值为8000～12000，γ取值为-500～-800；

将正极极片与负极极片分隔的隔离膜。

在可选的实施方式中，补锂层的材质为单质锂或者锂合金。

在可选的实施方式中，补锂层的厚度为0.05～2μm。

在可选的实施方式中，α取值为-10000，β取值为9985.4，γ取值为-651.63。

在可选的实施方式中，补锂层位于负极活性物质层与负极集流体之间，并贴合于负极集流体。

在可选的实施方式中，负极集流体的相对两面分别贴设有补锂层，两个负极活性物质层分别形成负极极片相对的两个表面。

在可选的实施方式中，负极极片还包括保护层，保护层贴合于补锂层背离负极集流体的一面。

在可选的实施方式中，保护层的材质为碳基材料或者碳酸乙烯酯。

在可选的实施方式中，负极活性物质层贴设于保护层背离补锂层的一面。

在可选的实施方式中，负极集流体为纯金属集流体；或者，负极集流体包括两个导电层以及设置于两个导电层之间的绝缘层。

本申请实施例的有益效果包括，例如：

本申请实施例提供的锂离子电池包括正极极片、负极极片以及将正极极片与负极极片分隔的隔离膜。负极极片上设置有补锂层，这样的负极极片形成多层结构，从而提升负极极片自身的结构强度，使得负极极片能够经受更大冲击而不会损坏，使得锂离子电池具有更好的安全性能。并且，补锂层能够在供负极极片形成SEI膜时被消耗，从而弥补供补齐负极形成SEI膜时所消耗的锂离子，使得电池会有更高的首效。若补锂层在补齐形成SEI膜时所消耗的锂离子之外还有剩余，则在后续循环过程中能够不断释放，可以有效的提高锂离子电池的循环性能。本申请实施例通过设置满足预设公式厚度的补锂层，能够使锂离子电池在具备安全性能的基础上获得较大的能量密度，防止锂资源浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一种实施例中锂离子电池的负极极片的示意图；

图2为本申请另一种实施例中锂离子电池的负极极片的示意图。

图标：100-负极极片；110-负极集流体；111-绝缘层；112-导电层；120-补锂层；130-保护层；140-负极活性物质层。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互结合。

在液态锂离子电池首次充放电过程中，电极材料与电解液在固液相界面上发生反应，会形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。这种钝化层是一种界面层，具有固体电解质的特征，是电子绝缘体却是Li⁺的优良导体，Li⁺可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出。因此这层钝化膜被称为固体电解质界面膜(solid electrolyte interface)，简称SEI膜。负极材料上形成的SEI膜厚度约为100～120nm。其组成主要有各种无机成分如Li₂CO₃、LiF、Li₂O、LiOH等和各种有机成分如ROCO₂Li、ROLi、(ROCO₂Li)₂等。SEI膜的形成会对电极材料的性能乃至电池的性能产生至关重要的影响。一方面，SEI膜的形成消耗了部分锂离子，使得首次充放电不可逆容量增加，降低了电极材料的首次充放电效率，即降低了电池首效；另一方面，SEI膜具有有机溶剂不溶性，在有机电解质溶液中能稳定存在，并且溶剂分子不能通过该层钝化膜，从而能有效防止溶剂分子的共嵌入，避免了因溶剂分子共嵌入对电极材料造成的破坏，因而大大提高了电极的循环性能和使用寿命。由于SEI膜的形成会消耗一部分锂离子，造成负极材料容量损失，这会导致锂离子电池能量密度下降。因此现有技术中有采取一些补锂手段，来提高锂离子电池的首效。但是现有的补锂方式效果较差，无法带给锂离子电池较佳的性能。

为改善上述相关技术中锂离子电池的补锂效果差的问题，本申请实施例提供一种锂离子电池，其通过合理地设置补锂层，使得锂离子电池具有较佳的能量密度和安全性能。

本申请实施例提供的锂离子电池包括正极极片、负极极片，以及将正极极片与负极极片分隔的隔离膜。锂离子电池进一步还包括壳体以及填充于壳体内的电解液，正极极片、负极极片以及隔离膜浸没于电解液中。

本申请实施例中，正极极片是多层结构，其包括正极集流体和铺设于正极集流体的正极活性物质层。正极集流体可选用复合基材。本实施例中，正极活性物质层中的活性物质含量不低于94％，正极活性物质层的厚度范围在40～120μm；正极活性物质层的活性材料可选用镍钴锰酸锂三元材料(Li_xNi_aCo_bMn_cO₂，其中0.85<x<1.2，0≤a≤1,0≤b≤1,0≤c≤1,a+b+c＝1)或者经过掺杂包覆改性的镍钴锰酸锂三元材料、磷酸铁锂材料(LiFePO₄)或者经过碳包覆的磷酸铁锂材料、锰酸锂材料LiMnO₂、钴酸锂材料LiCoO₂等中的至少一种。

图1为本申请一种实施例中锂离子电池的负极极片100的示意图。如图1所示，本申请实施例提供的锂离子电池的负极极片100包括层叠设置的负极集流体110、补锂层120以及负极活性物质层140，其中负极活性物质层140位于负极极片100的最外层，负极集流体110位于负极极片100的最内层，而补锂层120位于负极集流体110与负极活性物质层140之间，用于补充锂离子。

本实施例中，补锂层120贴合于负极集流体110。负极集流体110起到汇集和传导电流的作用。本实施例的负极集流体110为复合集流体，其包括两个导电层112以及设置于两个导电层112之间的绝缘层111。绝缘层111可选为PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)薄膜、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜、PVA(聚乙烯醇)薄膜、聚氯乙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚苯乙烯薄膜等中的至少一种，绝缘层111的厚度范围可选为1-5μm。导电层112可选为铜、铝等金属，其厚度范围可选为1-4μm。

负极集流体110的绝缘层111为有机材料，其具有更好的结构强度，且能够增加抗冲击性，此种结构的复合集流体可在锂离子电池受到挤压等破坏性损伤时阻止电池内部短路而造成的热失控，从而安全性能较高。

在本实施例中，负极集流体110的相对两面分别贴设有补锂层120，换言之，两个补锂层120分别贴设于两个导电层112上。上述负极集流体110的相对两面即为其厚度方向上的相对两面，本申请实施例中所描述的厚度方向即为层状结构的极片的堆叠方向，也即为图1中的上下方向。本实施例中，负极集流体110的厚度方向上两侧的结构是对称设置的。

在本申请实施例中，负极极片100还包括保护层130，保护层130贴合于补锂层120背离负极集流体110的一面。由于锂金属或者锂合金较活跃，因此需要涂覆一定的保护层130加以保护，防止涂布时候跟水反应。同时保护层130还能够使得负极极片100的多层结构更加丰富，从而在结构强度和稳定性上也能得到提高，如此提高了负极极片100和锂离子电池的安全性能。可选的，保护层130的材质为碳基材料或者碳酸乙烯酯，厚度范围可选为0.5～2μm。这样的保护层130厚度适宜，能够在不影响负极极片100弯折卷绕的同时提高负极极片100的安全性和可靠性。

进一步的，负极活性物质层140贴设于保护层130背离补锂层120的一面，两个负极活性物质层140分别形成负极极片100相对的两个表面。负极活性物质层140中含有负极活性材料，活性材料可选用人造石墨、天然石墨、硅单质、硅氧化物(SiO_x，0<x<2)、锡单质、钛酸锂等中的至少一种。在本实施例中，负极活性物质层140中的活性物质含量不低于93％，负极活性物质层140的厚度范围在70～160μm，在工作过程中能够进行锂离子的可逆脱嵌/入嵌。

在本实施例中，补锂层120的厚度范围为0.05～2μm。补锂层120除了起到补充锂的作用外，还具有提高负极极片100强度的作用。

进一步的，补锂层120的厚度满足公式Y＝αX²+βX+γ，X为正极活性物质层的涂布面密度，单位为g/1540.25mm²，Y为补锂层120的厚度，单位为nm，α、β、γ为系数，并且α取值为-8000～-12000，β取值为8000～12000，γ取值为-500～-800。在一个具体的实施例中，α取值为-10000，β取值为9985.4，γ取值为-651.63。在本实施例中，补锂层120的厚度是根据正极活性物质层的涂布面密度来计算得到的，能具备合理的厚度，能够在提高负极极片100强度以保证安全性的同时，满足补锂的需求，即通过精准设计以防止锂资源浪费，从而在提高全电池的首效的同时，提高了产品的经济效益。

当厚度为800～1500nm时，补锂层120中的锂可以在负极极片100形成SEI膜时被消耗，从而使电池会有更高的首效。当补锂层120的厚度小于800nm时，涂覆的锂全部用于补充负极极片100形成SEI膜时所消耗的锂离子，此时电池的首效虽未补齐，但在不设置补锂层120的基础上有一定的提高。当补锂层120的厚度大于1500nm时，除补齐负极极片100形成SEI膜所消耗的锂离子外，还有富余的锂存留，在后续循环过程中不断释放，可以有效的提高锂离子电池的循环性能。

在可选的其他实施例中，负极极片100也可以只设置一个补锂层120、一个保护层130以及一个负极活性物质层140，换言之，可以只在负极集流体110的一侧堆叠上述结构。

图2为本申请另一种实施例中锂离子电池的负极极片100的示意图。与图1实施例不同的是，图2实施例中的负极集流体110选用了为纯金属集流体，从而不包含图1实施例中的绝缘层111。

本申请实施例提供一种锂离子电池的制作方法，其包括在正极集流体上设置正极活性物质层以制备正极极片；在负极集流体110上设置补锂层120、负极活性物质层140以制备负极极片100；对正极极片、负极极片100和隔离膜进行卷绕或者叠片处理，通过烘烤、注液，进行化成以及分容，以获得锂离子电池。

下面以磷酸铁锂电池为例具体介绍制作方法：

1.制备正极极片：正极配方为LiM_xN_yPO₄:CNT:SP:PVDF，质量比为96-98％：0-1％：0-1％：0-2％。

将上述正极配方原料在搅拌罐中经过混合、搅拌，并涂覆在正极集流体(可选为复合集流体，导电层112为铝)上，其面密度为0.25g/1540.25mm²。

2.制备负极极片100：负极材料选用碳系材料，负极配方为C:SP:CMC:SBR＝96-97％:0-1％:0-1.5％:0-1.5％。

在负极集流体110(可选用图2实施例的纯金属集流体)上铺设补锂层120、保护层130，并将上述负极配方原料在搅拌罐中经过混合、搅拌，并涂覆在已经设置有补锂层120、保护层130的负极集流体110上。

3.制备电池：对正极极片、负极极片100以及隔离膜进行卷绕或者叠片处理，通过烘烤、注液，进行化成以及分容，制得锂离子电池。化成材料温度为25-50℃。化成阶段总充电容量记为C1；分容第一步为恒压充电，所充容量记为C2，第二步为恒压充电，所充电容量记为C3，分容第三步为恒流放电，所放电容量记为C4。全电池首效＝C4/C1+C2+C3。

为了进行试验比较，制作补锂层120厚度为600/1200/1300nm的三组锂离子电池作；并且制作了未设置补锂层120的锂离子电池作为对照例。

循环寿命的测试温度为25℃。使用1C恒流充电至3.65V，恒压充电至电流等于0.05C，搁置30min，恒流放电至2.5V，针刺测试为电池100％SOC下，用3mm钢针刺穿电池中间。

试验结果如下：

如上表所示，设置了补锂层120的锂离子电池的首效、克容量发挥、循环寿命都得到了明显提高，且针刺安全测试全部合格。而未设置补锂层120(厚度为0)的锂离子电池，其首效、克容量发挥、循环寿命明显较低。

综上所述，本申请实施例提供了一种锂离子电池，包括正极极片、负极极片100以及将正极极片与负极极片100分隔的隔离膜。负极极片100上设置有补锂层120，这样的负极极片100形成多层结构，从而提升负极极片100自身的结构强度，使得负极极片100能够经受更大冲击而不会损坏，使得锂离子电池具有更好的安全性能。并且，补锂层120能够在供负极极片100形成SEI膜时被消耗，从而弥补供补齐负极形成SEI膜时所消耗的锂离子，使得电池会有更高的首效。若补锂层120在补齐形成SEI膜时所消耗的锂离子之外还有剩余，则在后续循环过程中能够不断释放，可以有效的提高锂离子电池的循环性能。本申请实施例通过设置满足预设公式厚度的补锂层120，能够使锂离子电池在具备安全性能的基础上获得较大的能量密度，防止锂资源浪费。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种锂离子电池，其特征在于，包括：

正极极片，包括正极集流体和铺设于所述正极集流体的正极活性物质层；

负极极片，包括层叠设置的负极集流体、补锂层以及负极活性物质层，其中，所述补锂层的厚度满足公式Y＝αX²+βX+γ，X为所述正极活性物质层的涂布面密度，单位为g/1540.25mm²；Y为所述补锂层的厚度，单位为nm；α、β、γ为系数，并且α取值为-8000～-12000，β取值为8000～12000，γ取值为-500～-800；

将所述正极极片与所述负极极片分隔的隔离膜。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述补锂层的材质为单质锂或者锂合金。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述补锂层的厚度为0.05～2μm。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，α取值为-10000，β取值为9985.4，γ取值为-651.63。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述补锂层位于所述负极活性物质层与所述负极集流体之间，并贴合于所述负极集流体。

6.根据权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极集流体的相对两面分别贴设有所述补锂层，两个所述负极活性物质层分别形成所述负极极片相对的两个表面。

7.根据权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极极片还包括保护层，所述保护层贴合于所述补锂层背离所述负极集流体的一面。

8.根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，所述保护层的材质为碳基材料或者碳酸乙烯酯。

9.根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极活性物质层贴设于所述保护层背离所述补锂层的一面。

10.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极集流体为纯金属集流体；或者，所述负极集流体包括两个导电层以及设置于两个所述导电层之间的绝缘层。