CN115394954A - 电极极片和电化学装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种电极极片和电化学装置。电极极片包括：集流体；以及活性层，活性层涂覆在集流体至少一个表面上；活性层包括活性物质、导电剂和粘结剂，孔隙率ε满足关系式：ε＝(ρ‑PD)/ρ；活性层的真密度ρ满足关系式：ρ＝A×ρA+B×ρB+C×ρC；孔隙率ε满足：20％≤ε≤45％。该电极极片的孔隙率具有较高的孔隙率，可以增大活性物质与电解液的接触面积，从而可以使得电化学装置同时具有较高的能量密度和电化学性能。
Description
技术领域
本申请涉及储能装置领域，尤其涉及一种电极极片和电化学装置。
背景技术
锂离子电池以其能量密度高、重量轻、使用寿命长等优点，在通讯设备以及新能源汽车等领域得到了广泛的应用。然而，随着社会的发展，现有的锂离子电池的能量密度已经很难满足日常需求，研究者们开始追求更高的电芯能量密度。除了不断开发新型高克容量的正负极活性物质之外，从电池结构入手来提高锂离子电池的能量密度也是一个极为重要的方向。例如，可以通过增加电极极片活性层的厚度提高活性物质负载量，来实现锂离子电池能量密度的增加。然而增加电极极片活性层的厚度，会使得正负极活性物质和电解液的接触面积减小，从而可能会导致电池的电化学性能下降。由此可见，目前缺少一种能够兼顾能量密度和电化学性能的电池。
发明内容
本申请提供了一种电极极片和电化学装置，该电极极片的孔隙率具有较高的孔隙率，可以增大活性物质与电解液的接触面积，从而可以使得电化学装置同时具有较高的能量密度和电化学性能。
申请一方面提供了一种电极极片，包括：
集流体；以及活性层，活性层涂覆在集流体至少一个表面上；活性层包括活性物质、导电剂和粘结剂，活性层的孔隙率ε满足以下关系式：
ε＝(ρ-PD)/ρ；
其中，ρ表示活性层的真密度，PD表示活性层的压实密度；
具体地，活性层的真密度ρ满足以下关系式：
ρ＝A×ρA+B×ρB+C×ρC；
其中，A表示活性物质占活性层的质量比例，ρA表示活性物质的真密度；B表示导电剂占活性层的质量比例，ρB表示导电剂的真密度；C表示粘结剂占活性层的质量比例，ρC表示粘结剂的真密度；
其中，活性层的孔隙率ε满足：20％≤ε≤45％。
本申请可以通过控制电极极片中活性层的压实密度以及各个组成成分的质量分数，将电极极片的孔隙率控制在较高的范围，使得孔隙率中可以储存更多电解液，以便增大活性物质与电解液的接触面积，提高电解液对电极极片的浸润性，实现碱金属离子在电极极片孔隙中较快的液相传输，有利于电极极片在电化学装置中的应用，可以兼顾能量密度的同时，显著提升电化学装置的电化学性能。此外，由于电极极片中活性层的孔隙率ε满足：20％≤ε≤45％，表明本申请提供的电极极片具有较高的孔隙率，电化学装置在具有相同的外壳尺寸时，具有高孔隙率的电极极片中可以分担储存更多电解液，具有更优的电芯注液效率和注液效果。进一步地，还可以降低在注液过程中发生喷液、溢液等的频率，使得电化学装置具有较高的安全性。
在一些可能的实施例中，当电极极片为正极极片时，活性层的压实密度PD满足：2.0g/cm3≤PD≤2.6g/cm3；当电极极片为负极极片时，活性层的压实密度PD满足：1.1g/cm3≤PD≤1.7g/cm3。
可以理解的是，压实密度过高，活性层颗粒之间的接触越紧密，颗粒之间的距离和间隙也就越小，电解液难以浸润活性物质，使得正负极活性物质和电解液的接触面积减小，从而可能会导致电化学装置的电化学性能下降；压实密度过低，活性层颗粒之间的接触概率和接触面积降低，电极极片的能量密度会降低，导致电化学装置的容量过低，无法满足使用要求。
在一些可能的实施例中，当电极极片为正极极片时，活性层的孔隙率ε满足：25％≤ε≤39％；当电极极片为负极极片时，活性层的孔隙率ε满足：22％≤ε≤42％。
可以理解的是，孔隙率过低，正负极活性物质和电解液的接触面积减小，电解液难以浸润活性物质，碱金属离子在电极极片孔隙中的液相传输减慢，从而可能会导致电化学装置的电化学性能下降；孔隙率过高，可能会导致电极极片的内阻增大，还可能会使得电解液与电极极片发生较多的副反应，导致电化学装置的电化学性能下降。
在一些可能的实施例中，当电极极片为正极极片时，活性物质包括磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂和镍钴锰三元材料及其掺杂和/或包覆改性化合物中的至少一种；当电极极片为负极极片时，活性物质包括锂金属、石墨和硅碳复合材料及其掺杂和/或包覆改性化合物中的至少一种。上述活性物质具有较高的比容量，从而可以使得包含该活性物质的电化学装置兼顾较高的能量密度和电化学性能。
在一些可能的实施例中，导电剂包括乙炔黑、导电炭黑、活性炭和碳纳米管中的至少一种。上述导电剂可以提高电极极片加工性，促进电解液对极片的浸润，从而可以使得电化学装置具有较高的能量密度和电化学性能。
在一些可能的实施例中，粘结剂包括聚偏氟乙烯(PVDF)、羧甲基纤维素钠(CMC)、聚丙烯(PAA)、聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯醇(PVA)中的至少一种。上述粘结剂可以提高活性层与集流体之间的粘结力，从而使得电极极片具有较高的能量密度。
在一些可能的实施例中，活性物质占活性层的质量比例A满足：90％≤A≤98％；导电剂占活性层的质量比例B满足：0.1％≤B≤5％；粘结剂占活性层的质量比例C满足：1％≤C≤5％。
可以理解的是，通过调控活性层中各组成成分(例如活性物质、导电剂和粘结剂等)的质量分数在上述的范围内，可以使得电极极片的孔隙率控制在较高的范围，增大活性物质与电解液的接触面积，进而可以显著提升电化学装置的电化学性能。
在一些可能的实施例中，当电极极片为正极极片时，活性层的厚度为100-195μm；当电极极片为负极极片时，活性层的厚度为70-125μm。
可以理解的是，活性层厚度过小，电极极片的能量密度过低，进而可能导致电化学装置的容量过低，无法满足使用要求；活性层厚度过大，电解液难以浸润活性物质，可能会导致电化学装置的电化学性能下降。
在一些可能的实施例中，电极极片满足以下关系式：
σ＝Kρ×ρ×(1-ε)-KG×In(G)+Kσ；
其中，σ表示电极极片中集流体和活性层之间的粘结力，G表示活性层的涂布面密度，Kρ、KG和Kσ均为常数，Kρ满足：1.36≤Kρ≤2.04，KG满足：5.32≤KG≤8.07，Kσ满足：15.84≤Kσ≤19.36。
可以理解的是，活性层的孔隙率与集流体和活性层之间的粘结力呈负相关，当孔隙率和粘结力满足上述关系式时，可以使得电极极片在具有较高的孔隙率的前提下，使得电极极片具有较高的粘结力，确保在使用的过程中，活性层不会从集流体上脱落。
在一些可能的实施例中，当电极极片为正极极片时，集流体和活性层之间的粘结力σ满足：10N/m≤σ≤35N/m；当电极极片为负极极片时，集流体和活性层之间的粘结力σ满足：3N/m≤σ≤10N/m。
可以理解的是，集流体与活性层之间的粘结力过低，可能会导致活性层在使用的过程中容易从集流体上脱落；集流体与活性层之间的粘结力过高，可能会降低电极极片的孔隙率，从而可能会导致电化学装置的电化学性能下降。
在一些可能的实施例中，当电极极片为正极极片时，活性层的涂布面密度G满足：13≤G≤20mg/cm2；当电极极片为负极极片时，活性层的涂布面密度G满足：6≤G≤15mg/cm2。
可以理解的是，涂布重量过小，电极极片的能量密度过低，电化学装置的容量可能达不到标称容量；涂布重量过大，容易造成配料浪费，严重时还可能会出现容量过量，导致枝晶析出，刺穿隔膜发生短路，导致电化学装置的安全性降低。
本申请一方面提供了一种电化学装置，包括：正极极片以及负极极片，其中，正极极片和/或负极极片为本申请一方面的电极极片。
实施本申请，将具有如下有益效果：
本申请可以通过控制电极极片中活性层的压实密度以及各个组成成分的质量分数，从而可以将电极极片的孔隙率控制在较高的范围，使得孔隙率中可以储存更多电解液，以便增大活性物质与电解液的接触面积，提高电解液对电极极片的浸润性，实现碱金属离子在电极极片孔隙中较快的液相传输，有利于电极极片在电化学装置中的应用，可以兼顾能量密度的同时，显著提升电化学装置的电化学性能。此外，由于本申请提供的电极极片中活性层的孔隙率ε满足：20％≤ε≤45％，表明本申请提供的电极极片具有较高的孔隙率，电化学装置在具有相同的外壳尺寸时，具有高孔隙率的电极极片中可以分担储存更多电解液，具有更优的电芯注液效率和注液效果。进一步地，还可以降低在注液过程中发生喷液、溢液等的频率，使得电化学装置具有较高的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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，还可以基于这些附图获得其他的附图。其中：
图1为本申请提供的实施例1至实施例3及对比例1制得的电池的循环性能图。
具体实施方式
锂离子电池以其能量密度高、重量轻、使用寿命长等优点，在通讯设备以及新能源汽车等领域得到了广泛的应用。然而，随着社会的发展，现有的锂离子电池的能量密度已经很难满足日常需求，研究者们开始追求更高的电芯能量密度。除了不断开发新型高克容量的正负极活性物质之外，从电池结构入手来提高锂离子电池的能量密度也是一个极为重要的方向。例如，可以通过增加电极极片活性层的厚度提高活性物质负载量，来实现锂离子电池能量密度的增加。然而增加电极极片活性层的厚度，可能会出现电解质浸润活性物质困难的问题，从而可能会导致电池的电化学性能下降。由此可见，目前缺少一种能够兼顾能量密度和电化学性能的电极极片以及电池。
鉴于此，本申请提供了一种电极极片，可以从解决上述提及的问题。该电极极片包括：
集流体；以及活性层，活性层涂覆在集流体至少一个表面上；活性层包括活性物质、导电剂和粘结剂，活性层的孔隙率ε满足以下关系式：ε＝(ρ-PD)/ρ；
其中，ρ表示活性层的真密度，PD表示活性层的压实密度；
具体地，活性层的真密度ρ满足以下关系式：ρ＝A×ρA+B×ρB+C×ρC；
其中，A表示活性物质占活性层的质量比例，ρA表示活性物质的真密度；B表示导电剂占活性层的质量比例，ρB表示导电剂的真密度；C表示粘结剂占活性层的质量比例，ρC表示粘结剂的真密度；
其中，活性层的孔隙率ε满足：20％≤ε≤45％。
可以理解的是，本申请可以通过控制电极极片中活性层的压实密度以及各个组成成分的质量分数，从而可以将电极极片的孔隙率控制在较高的范围，使得孔隙率中可以储存更多电解液，以便增大活性物质与电解液的接触面积，提高电解液对电极极片的浸润性，实现碱金属离子在电极极片孔隙中较快的液相传输，有利于电极极片在电化学装置中的应用，可以显著提升电化学装置的电化学性能。此外，由于本申请提供的电极极片中活性层的孔隙率ε满足：20％≤ε≤45％，表明本申请提供的电极极片具有较高的孔隙率，电化学装置在具有相同的外壳尺寸时，具有高孔隙率的电极极片中可以分担储存更多电解液，具有更优的电芯注液效率和注液效果。进一步地，还可以降低在注液过程中发生喷液、溢液等的频率，使得电化学装置具有较高的安全性。
可以理解的是，电极极片可以是正极极片或负极极片。当电极极片是正极极片时，相应地，其中的集流体和活性层分别为正极集流体(例如，铝箔等)和正极活性层。当电极极片是负极极片时，相应地，其中的集流体和活性层分别为负极集流体(例如，铜箔等)和负极活性层。
电极极片的活性层，通常包括活性物质、粘结剂和导电剂。当然，根据需要，活性层还可以包括一些可选的添加剂或助剂，例如，补锂剂等等，以提高电化学装置的电化学性能。具体地，将电极活性物质、导电剂和粘结剂等组成的浆料涂覆到集流体至少一个表面上，可以是单层涂覆或者多层涂覆，本申请对此不做限定，再经干燥等后处理即可得所需的活性层。
对于正极极片而言，可以选用本领域常用的各种正极活性物质。例如，正极极片的活性物质可以包括磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂和镍钴锰三元材料及其掺杂和/或包覆改性化合物中的至少一种，本申请对此不做限定。对于负极极片而言，可以选用本领域常用的各种负极活性物质。例如，负极极片的活性物质可以包括锂金属、石墨和硅碳复合材料及其掺杂和/或包覆改性化合物中的至少一种，本申请对此不做限定。上述活性物质具有较高的比容量，从而可以使得包含该活性物质的电化学装置兼顾较高的能量密度和电化学性能。
在一些可能的实施例中，活性层中的导电剂可以包括乙炔黑、导电炭黑、活性炭和碳纳米管等中的至少一种。上述导电剂可以提高电极极片加工性，促进电解液对极片的浸润，从而可以使得电化学装置具有较高的能量密度和电化学性能。
在一些可能的实施例中，活性层中的粘结剂是油性粘结剂，也可以是水性粘结剂。具体地，活性层中的粘结剂可以包括聚偏氟乙烯(PVDF)、羧甲基纤维素钠(CMC)、聚丙烯(PAA)、聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯醇(PVA)等中的至少一种。上述粘结剂可以提高活性层与集流体之间的粘结力，从而使得电极极片具有较高的能量密度。
在一些可能的实施例中，在一些可能的实施例中，活性物质占活性层的质量比例A满足：90％≤A≤98％；导电剂占活性层的质量比例B满足：0.1％≤B≤5％；粘结剂占活性层的质量比例C满足：1％≤C≤5％。在一些具体的实施例中，活性物质占活性层的质量比例可以是90％、91％、92％、93％、94％、95％、97％、98％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；导电剂占活性层的质量比例B可以是0.1％、1％、2％、3％、4％、5％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；粘结剂占活性层的质量比例C可以是1％、2％、3％、4％、5％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。
可以理解的是，通过调控活性层中各组成成分(例如活性物质、导电剂和粘结剂等)的质量分数在上述的范围内，可以使得电极极片的孔隙率控制在较高的范围，增大活性物质与电解液的接触面积，进而可以显著提升电化学装置的电化学性能。
在一些可能的实施例中，当电极极片为正极极片时，活性层的压实密度PD满足：2.0g/cm3≤PD≤2.6g/cm3；当电极极片为负极极片时，活性层的压实密度PD满足：1.1g/cm3≤PD≤1.7g/cm3。在一些具体的实施例中，正极极片活性层的压实密度PD可以是2.0g/cm3、2.2g/cm3、2.4g/cm3、2.5g/cm3、2.6g/cm3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；负极极片活性层的压实密度PD可以是1.1g/cm3、1.4g/cm3、1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3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。
可以理解的是，压实密度过高，活性层颗粒之间的接触越紧密，颗粒之间的距离和间隙也就越小，电解液难以浸润活性物质，使得正负极活性物质和电解液的接触面积减小，从而可能会导致电化学装置的电化学性能下降；压实密度过低，电极极片的能量密度会降低，导致电化学装置的容量过低，无法满足使用要求。
在一些可能的实施例中，当电极极片为正极极片时，活性层的孔隙率ε满足：25％≤ε≤39％；当电极极片为负极极片时，活性层的孔隙率ε满足：22％≤ε≤42％。在一些具体的实施例中，正极极片活性层的孔隙率ε可以是25％、30％、31％、32％、36％、38％、39％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；负极极片活性层的孔隙率ε可以是22％、25％、30％、32％、33％、36％、41％、42％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。
可以理解的是，孔隙率过低，正负极活性物质和电解液的接触面积减小，电解液难以浸润活性物质，锂离子在电极极片孔隙中的液相传输减慢，从而可能会导致电化学装置的电化学性能下降；孔隙率过高，电极极片的能量密度会降低，导致电化学装置的容量过低，无法满足使用要求。
在一些可能的实施例中，当电极极片为正极极片时，活性层的厚度δ满足：100μm≤δ≤195μm；当电极极片为负极极片时，活性层的厚度δ满足：70μm≤δ≤125μm。在一些具体的实施例中，正极极片活性层的厚度可以是100μm、120μm、132μm、133μm、137μm、143μm、160μm、170μm、180μm、195μm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；负极极片活性层的厚度可以包括但不限于70μm、80μm、90μm、94μm、100μm、105μm、110μm、123μm、125μm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。
可以理解的是，活性层厚度过小，电极极片的能量密度过低，进而可能导致电化学装置的容量过低，无法满足使用要求；活性层厚度过大，电解液难以浸润活性物质，可能会导致电化学装置的电化学性能下降。
在一些可能的实施例中，电极极片可以满足以下关系式：
σ＝Kρ×ρ×(1-ε)-KG×In(G)+Kσ；
其中，σ表示电极极片中集流体和活性层之间的粘结力，G表示活性层的涂布面密度，Kρ、KG和Kσ均为常数，Kρ满足：1.36≤Kρ≤2.04，KG满足：5.32≤KG≤8.07，Kσ满足：15.84≤Kσ≤19.36。
可以理解的是，活性层的孔隙率与集流体和活性层之间的粘结力呈负相关，当孔隙率和粘结力满足上述关系式时，可以使得电极极片在具有较高的孔隙率的前提下，使得电极极片具有较高的粘结力，确保在使用的过程中，活性层不会从集流体上脱落。
在一些可能的实施例中，当电极极片为正极极片时，集流体和活性层之间的粘结力σ满足：10N/m≤σ≤35N/m。在一些具体的实施例中，正极极片中集流体和活性层之间的粘结力可以是10N/m、15N/m、20N/m、25N/m、30N/m、35N/m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。当电极极片为负极极片时，集流体和活性层之间的粘结力σ满足：3N/m≤σ≤10N/m。在一些具体的实施例中，负极极片中集流体和活性层之间的粘结力可以是3N/m、4N/m、6N/m、7N/m、8N/m、10N/m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。
可以理解的是，集流体与活性层之间的粘结力过低，可能会导致活性层在使用的过程中容易从集流体上脱落；集流体与活性层之间的粘结力过高，可能会降低电极极片的孔隙率，从而可能会导致电化学装置的电化学性能下降。
在一些可能的实施例中，当电极极片为正极极片时，活性层的涂布面密度G满足：13≤G≤20mg/cm2；当电极极片为负极极片时，活性层的涂布面密度G满足：6≤G≤15mg/cm2。在一些具体的实施例中，正极极片的涂布面密度可以是13mg/cm2、14mg/cm2、15mg/cm2、16mg/cm2、17mg/cm2、20mg/cm2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；负极极片的涂布面密度可以是6mg/cm2、7mg/cm2、8mg/cm2、10mg/cm2、12mg/cm2、15mg/cm2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。
可以理解的是，涂布重量过小，电极极片的能量密度过低，电化学装置的容量可能达不到标称容量；涂布重量过大，容易造成配料浪费，严重时还可能会出现容量过量，导致枝晶析出，刺穿隔膜发生短路，导致电化学装置的安全性降低。
此外，本申请还提供了一种电化学装置，该电化学装置包括：正极极片以及负极极片；其中，正极极片和/或负极极片上述涉及的电极极片。本申请的电化学装置可以是电容器、一次电池或二次电池。例如可以为锂离子电容器、锂电池或锂离子电池等等。本申请对于电化学装置的类型不做限定。
该电化学装置还可以包括隔膜和电解质。本申请对该电化学装置的隔膜的种类没有具体限制，可以根据实际需求进行选择。具体地，隔膜可以包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等中的至少一种。
其中，电解质可以是凝胶电解质、固态电解质和电解液中至少一种。以锂离子电池为例，电解质包括锂盐和非水有机溶剂。锂盐可以包括六氟磷酸锂(LiPF6)、双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)、三氟甲基磺酸锂、双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、四氟硼酸锂(LiBF4)、二草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiODFB)以及高氯酸锂等中的至少一种；非水有机溶剂可以包括碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、乙酸甲酯(MA)、乙酸乙酯(EA)、丙酸乙酯(EP)、丙酸丙酯(PP)、丁酸乙酯(EB)等中的至少一种。
下面结合实施例，进一步阐述本申请。应理解，本申请提供的实施例仅仅是帮助理解本申请，不应视为对本申请的具体限制。在实施例中仅示出电化学装置为锂离子电池的情况，但本申请不限于此。
为便于理解本申请，本申请列举实施例如下。本领域技术人员应该明了实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
(1)正极极片的制备
将正极活性物质磷酸铁锂、导电剂导电炭黑(Super P)、粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中混合均匀，制成正极浆料，其中，正极浆料的固体含量为63.5wt％。其中，磷酸铁锂、Super P和PVDF的质量比为236：1：5；将正极浆料涂覆在13μm的铝箔表面，转移至烘箱中进行干燥，然后经过冷压、分切得到正极极片。其中，正极活性物质层的孔隙率为27.97％，压实密度为2.55g/cm3，涂布面密度为16.49mg/cm2，厚度129.3μm，真密度为3.54g/cm3。
(2)负极极片的制备
将负极活性物质石墨、导电剂导电炭黑(Super P)、粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)和聚丙烯(PAA)在去离子水中混合均匀，制成负极浆料，其中，负极浆料的固体含量为52.5wt％，石墨、导电剂Super P、粘结剂CMC、粘结剂SBR以及粘结剂PAA的质量比1168:8:5:7:13；将负极浆料涂布在厚度为6μm的铜箔表面，转移至烘箱中进行干燥，然后经过冷压、分切得到负极极片。其中，负极活性层的孔隙率为23.77％，压实密度为1.7g/cm3，涂布面密度为8.12g/cm2，厚度95.5μm,真密度为2.23g/cm3，粘结力为6.46，其中，Kρ为1.7，KG为6.7，Kσ为17.6。
其中，粘结力的测试方法可以是：将所得具有活性层部分的负极极片用20*150mm的刀模裁剪成长条状试样，其长宽值可根据实际情况按比例调整；将试样一端的活性层面通过双面胶粘附在钢板上，然后用高铁拉力机进行180°剥离，剥离长度为100mm，使活性层与集流体分离，最终测得平稳区域的拉力平均值记为活性层与集流体之间的粘结力。其他实施例和对比例的粘结力的测试均采用上述的测试方法，下文将不再赘述。
(3)电解液的制备
将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和锂盐LiPF6混合，其中碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯的质量比为7：3，LiPF6的浓度为1mol/L，得到电解液；其中，电池注液系数为4.3。
(4)隔膜的制备
以厚度为16μm的聚丙烯薄膜(PP)作为隔膜。
(5)锂离子电池的制备
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，干燥后注入电解液，经过真空封装、静置、化成、整形，获得锂离子电池。
实施例2
锂离子电池的制备过程同实施例1，区别在于：
(1)正极极片的制备
将正极活性物质磷酸铁锂、导电剂导电炭黑(Super P)、粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中混合均匀，制成正极浆料，其中，正极浆料的固体含量为63.5wt％。其中，磷酸铁锂、Super P和PVDF的质量比为235：1：5；将正极浆料涂覆在13μm的铝箔表面，转移至烘箱中进行干燥，然后经过冷压、分切得到正极极片。其中，正极活性层的孔隙率为30.40％，压实密度为2.45g/cm3，涂布面密度为16.49mg/cm2，厚度134.6μm,真密度为3.52g/cm3。
(2)负极极片的制备
将负极活性物质石墨、导电剂导电炭黑(Super P)、粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)和和聚丙烯(PAA)在去离子水中混合均匀，制成负极浆料，其中，负极浆料的固体含量为52.5wt％，石墨、导电剂Super P、粘结剂CMC、粘结剂SBR以及粘结剂PAA的质量比为1007:8:5:7:13；将负极浆料涂布在厚度为6μm的铜箔表面，转移至烘箱中进行干燥，然后经过冷压、分切得到负极极片。其中，负极活性层的孔隙率为35.56％，压实密度为1.45g/cm3，涂布面密度为8.12g/cm2，厚度112.0μm,真密度为2.25g/cm3，粘结力为5.96，其中，Kρ为1.65，KG为6.7，Kσ为17.6。
实施例3
锂离子电池的制备过程同实施例1，区别在于：
(1)正极极片的制备
将正极活性物质磷酸铁锂、导电剂导电炭黑(Super P)、粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中混合均匀，制成正极浆料，其中，正极浆料的固体含量为63.5wt％。其中，磷酸铁锂、Super P和PVDF的质量比为235：1：5；将正极浆料涂覆在13μm的铝箔表面，转移至烘箱中进行干燥，然后经过冷压、分切得到正极极片。其中，正极活性物质层的孔隙率为37.50％，压实密度为2.20g/cm3，涂布面密度为16.49mg/cm2，厚度150.0μm,真密度为3.52g/cm3。
(2)负极极片的制备
将负极活性物质石墨、导电剂导电炭黑(Super P)、粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)和聚丙烯(PAA)在去离子水中混合均匀，制成负极浆料，其中，负极浆料的固体含量为52.5wt％，石墨、导电剂Super P、粘结剂CMC、粘结剂SBR以及粘结剂PAA的质量比为893:8:5:7:13；将负极浆料涂布在厚度为6μm的铜箔表面，转移至烘箱中进行干燥，然后经过冷压、分切得到负极极片。其中，负极活性层的孔隙率为40.53％，压实密度为1.35g/cm3，涂布面密度为8.12g/cm2，厚度为120.3μm,真密度为2.27g/cm3，粘结力为5.73，其中，Kρ为1.6，KG为6.7，Kσ为17.6。
对比例1
锂离子电池的制备过程同实施例1，区别在于：
(1)正极极片的制备
将正极活性物质磷酸铁锂、导电剂导电炭黑(Super P)、粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中混合均匀，制成正极浆料，其中，正极浆料的固体含量为63.5wt％。其中，磷酸铁锂、Super P和PVDF的质量比为234：1：5；将正极浆料涂覆在13μm的铝箔表面，转移至烘箱中进行干燥，然后经过冷压、分切得到正极极片。其中，正极活性物质层的孔隙率为22.86％，压实密度为2.7g/cm3，涂布面密度为16.49mg/cm2，厚度122.1μm,真密度为3.5g/cm3。
(2)负极极片的制备
将负极活性物质石墨、导电剂导电炭黑(Super P)、粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)和聚丙烯(PAA)在去离子水中混合均匀，制成负极浆料，其中，负极浆料的固体含量为52.5wt％，石墨、导电剂Super P、粘结剂CMC、粘结剂SBR以及粘结剂PAA的质量比为765:8:5:7:13；将负极浆料涂布在厚度为6μm的铜箔表面，转移至烘箱中进行干燥，然后经过冷压、分切得到负极极片。其中，负极活性层的孔隙率为20.45％，压实密度为1.75g/cm3，涂布面密度为8.12g/cm2，厚度92.8μm,真密度为2.2g/cm3，粘结力为5.99，其中，Kρ为1.5，KG为6.7，Kσ为17.4。
将实施例1-3和对比例1制成的锂离子电池分别在充放电仪上进行常温循环性能测试，其测试过程如下：
将锂离子电池置于25℃的环境中，其循环倍率为1C，充电电压为2.5V-3.65V。锂离子电池的首次放电容量记为D1，将锂离子电池按上述方式进行多次循环充放电测试，第2400次循环的放电容量记为D2400。按下式计算锂离子电池的常温循环的容量保持率。
锂离子电池25℃循环2400次后的容量保持率(％)＝D2400/D1×100％。
实施例1-3和对比例1制成的锂离子电池的常温循环性能的测试结果如图1所示，从图1可知，相对于其它实施例而言，对比例1制备得到的锂离子电池的常温循环稳定性能较差。这可能是因为对比例1的正极极片以及负极极片活性层的孔隙率较低，活性物质与电解液的接触面积较小，电解液难以浸润活性层中的活性物质，导致锂离子在电极极片孔隙中的液相传输减小，换言之，锂离子的脱嵌速度减慢，进而导致锂离子电池的常温循环性能较差。
此外，从图1中可以看出，锂离子电池的常温循环稳定性与电极极片活性层的孔隙率呈正相关。例如，实施例1至实施例3的电极极片活性层的孔隙率关系为：实施例1＜实施例2＜实施例3；对应的实施例1至实施例.的锂离子电池的常温循环稳定性关系为：1＜实施例2＜实施例3。因此，适当提高电极极片的孔隙率，有助于提高锂离子电池的常温循环稳定性。这可能是因为较高的孔隙率，可以存储更多的电解液，进而可以增大活性物质与电解液的接触面积，提高电解液对电极极片的浸润性，加快锂离子在电极极片孔隙中的液相传输，从而可以提高锂离子电池的循环稳定性。
综上所述，本申请可以通过控制电极极片中活性层的压实密度以及各个组成成分的质量分数，将电极极片的孔隙率控制在较高的范围，使得孔隙率中可以储存更多电解液，以便增大活性物质与电解液的接触面积，提高电解液对电极极片的浸润性，实现碱金属离子在电极极片孔隙中较快的液相传输，有利于电极极片在电化学装置中的应用，可以兼顾能量密度的同时，显著提升电化学装置的电化学性能。此外，由于本申请提供的电极极片具有较高的孔隙率，电化学装置在具有相同的外壳尺寸时，具有高孔隙率的电极极片中可以分担储存更多电解液，具有更优的电芯注液效率和注液效果。进一步地，还可以降低在注液过程中发生喷液、溢液等的频率，使得电化学装置具有较高的安全性。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对本申请保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本申请作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种电极极片，其特征在于，包括：
集流体；以及
活性层，所述活性层涂覆在所述集流体至少一个表面上；
所述活性层包括活性物质、导电剂和粘结剂，所述活性层的孔隙率ε满足以下关系式：
ε＝(ρ-PD)/ρ；
其中，ρ表示所述活性层的真密度，PD表示所述活性层的压实密度；
所述活性层的真密度ρ满足以下关系式：
ρ＝A×ρA+B×ρB+C×ρC；
其中，A表示所述活性物质占所述活性层的质量比例，ρA表示所述活性物质的真密度；B表示所述导电剂占所述活性层的质量比例，ρB表示所述导电剂的真密度；C表示所述粘结剂占所述活性层的质量比例，ρC表示所述粘结剂的真密度；
其中，所述活性层的孔隙率ε满足：20％≤ε≤45％。
2.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，
当所述电极极片为正极极片时，所述活性层的压实密度PD满足：2.0g/cm3≤PD≤2.6g/cm3；
当所述电极极片为负极极片时，所述活性层的压实密度PD满足：1.1g/cm3≤PD≤1.7g/cm3。
3.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，
当所述电极极片为正极极片时，所述活性层的孔隙率ε满足：25％≤ε≤39％；
当所述电极极片为负极极片时，所述活性层的孔隙率ε满足：22％≤ε≤42％。
4.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，
当所述电极极片为正极极片时，所述活性物质包括磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂和镍钴锰三元材料及其掺杂和/或包覆改性化合物中的至少一种；
当所述电极极片为负极极片时，所述活性物质包括锂金属、石墨和硅碳复合材料及其掺杂和/或包覆改性化合物中的至少一种；
所述导电剂包括乙炔黑、导电炭黑、活性炭和碳纳米管中的至少一种；
所述粘结剂包括聚偏氟乙烯(PVDF)、羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯(PAA)、聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯醇(PVA)中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，所述活性物质占所述活性层的质量比例A满足：90％≤A≤98％；所述导电剂占所述活性层的质量比例B满足：0.1％≤B≤5％；所述粘结剂占所述活性层的质量比例C满足：1％≤C≤5％。
6.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，
当所述电极极片为正极极片时，所述活性层的厚度δ满足：100μm≤δ≤195μm；
当所述电极极片为负极极片时，所述活性层的厚度δ满足：70μm≤δ≤125μm。
7.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，所述电极极片满足以下关系式：
σ＝Kρ×ρ×(1-ε)-KG×In(G)+Kσ；
其中，σ表示所述电极极片中所述集流体和所述活性层之间的粘结力，G表示所述活性层的涂布面密度，Kρ、KG和Kσ均为常数，所述Kρ满足：1.36≤Kρ≤2.04，所述KG满足：5.32≤KG≤8.07，所述Kσ满足：15.84≤Kσ≤19.36。
8.根据权利要求7所述的电极极片，其特征在于，
当所述电极极片为正极极片时，所述集流体和所述活性层之间的粘结力σ满足：10N/m≤σ≤35N/m；
当所述电极极片为负极极片时，所述集流体和所述活性层之间的粘结力σ满足：3N/m≤σ≤10N/m。
9.根据权利要求7所述的电极极片，其特征在于，
当所述电极极片为正极极片时，所述活性层的涂布面密度G满足：13≤G≤20mg/cm2；
当所述电极极片为负极极片时，所述活性层的涂布面密度G满足：6≤G≤15mg/cm2。
10.一种电化学装置，其特征在于，包括：
正极极片；以及
负极极片；
所述正极极片和/或所述负极极片为权利要求1至9中任一项所述的电极极片。
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