CN116344739B - 一种硅基负极极片及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅基负极极片及其应用。本发明包括负极集流体,以及在负极集流体厚度方向上依次设置在负极集流体至少一面的第一活性涂层、第二活性涂层、第三活性涂层;所述第一活性涂层和第二活性涂层独立地分为硅氧区和活性石墨区;所述硅氧区包括活性硅氧材料,所述活性石墨区包括石墨材料;所述第三活性层包括石墨材料;所述第一活性涂层或第二活性涂层中的硅氧区和活性石墨区间隔涂布;所述第一活性涂层的硅氧区与所述第二活性涂层的硅氧区在负极集流体厚度方向上呈交错分布。本发明所得硅基负极极片的反弹效果明显,降低了硅基负极的反弹,避免了电解液的过度消耗,因此能够提升循环性能。
Description
技术领域
本发明涉二次电池技术领域,尤其是指一种硅基负极极片及其应用。
背景技术
近年来,随着锂电池行业对续航里程的日益增大的需求,高镍三元材料、硅氧材料等材料的应用比例越来越多。目前锂电池行业中对于硅基负极的研究逐渐加深,但是由于硅氧材料的电化学体积膨胀高达180%,导致硅基负极极片在充放电过程中由于体积膨胀导致SEI膜的破坏、重生,过量消耗电解液且影响锂电池的循环性能。目前,常规的降低硅基材料的膨胀方法是纳米硅材料的的制备,一定程度上能降低硅基负极极片的反弹,但是不能从根本上降低硅基负极极片的反弹;另一方面采用多层涂布,利用硅氧比例和粘结剂梯度比例降低硅基负极的反弹,然而综合效果都不理想。因此如何有效降低硅基负极的膨胀成为硅基材料应用的首要技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种硅基负极极片及其应用。本发明通过利用纳米化硅氧材料,包覆一定量的导电层,一定程度上降低硅氧材料的反弹,并且提升一定的导电能力;利用间隔涂敷方式,将硅氧区和活性石墨区有规律的涂敷,从涂布设计上降低硅氧横向和纵向的膨胀反应;第二活性涂层的浆料和第一活性涂层的浆料设计一致,仅改变硅氧区的位置,使第一活性涂层和第二活性涂层中的硅氧区纵向上互补,提升硅基极片纵向反弹的一致性;且第一活性涂层、第二活性涂层中活性石墨区中石墨材料的粒径大于硅氧区中活性硅氧材料的粒径,提升活性石墨区对活性硅氧材料反弹的容纳;通过第三活性涂层的涂覆,从垂直方向上抑制第一活性涂层和第二活性涂层中活性硅氧材料的膨胀。因此本发明综合降低硅基负极极片的反弹效果明显,降低了硅基负极的反弹,避免了电解液的过度消耗,因此能够提升循环性能。本发明为降低硅基负极极片的反弹提供一种有效的设计方案,在硅基锂电池的应用中具备良好的应用前景。
本发明的第一个目的在于提供一种硅基负极极片,包括负极集流体,以及在负极集流体的至少一面依次设置的第一活性涂层、第二活性涂层、第三活性涂层;
所述第一活性涂层和第二活性涂层独立地分为硅氧区和活性石墨区;
所述硅氧区包括活性硅氧材料;
所述活性石墨区包括石墨材料;
所述第三活性涂层包括石墨材料;;
所述第一活性涂层和第二活性涂层中的硅氧区和活性石墨区各自独立间隔涂覆;
所述第一活性涂层的硅氧区与所述第二活性涂层的硅氧区在负极集流体厚度方向上呈交错分布。
在本发明的一个实施例中,所述活性硅氧材料粒径为纳米级小颗粒,表面包覆导电层,粒径为100-1000nm。
在本发明的一个实施例中,所述第一活性涂层中的硅氧区还包括第一导电剂和第一粘结剂,所述第二活性涂层中的活性石墨区还包括第二导电剂和第二粘结剂,各原料的比例关系满足:W活性硅氧材料/W石墨材料= W第一导电剂/W第二导电剂= W第一粘结剂/W第二粘结剂。
在本发明的一个实施例中,所述硅氧区的宽度D和长度L与硅氧区总涂层的面积S满足:5%≤(L11×D11+L12×D12+L11×D11+…LNN×DNN)/S≤70%,其中,L11、L22、L33、LNN指第一个、第二个、第三个、第N个硅氧区的长度,D11、D22、D33、DNN是指第一个、第二个、第三个、第N个硅氧区的宽度。
在本发明的一个实施例中,所述硅氧区长度L与宽度D与第一活性涂层或第二活性涂层总料区的长宽比值满足:DLNN/D料区≤0.5,LLNN/L料区≤1,其中,DLNN表示第N个硅氧区的宽度,LLNN表示第N个硅氧区的长度;D料区表示第一活性涂层或第二活性涂层的总宽度,L料区表示第一活性涂层或第二活性涂层的总长度。
在本发明的一个实施例中,所述第一活性涂层与第二活性涂层之间的高度关系满足5%≤(H1+H2)/H总≤80%,H1指第一活性涂层的高度,H2是指第二活性涂层的高度,H总是指负极集流体所有活性涂层的总高度。
在本发明的一个实施例中,所述第三活性涂层的高度H3与负极集流体所有活性涂层的总高度H总的关系:H3/H总≤0.4。
在本发明的一个实施例中,所述负极集流体中三层活性涂层中的石墨材料的粒径D50的满足以下关系:D150≤D250≤D350,其中,D150、D250、D350分别指第一活性涂层中石墨材料的D50、第二活性涂层中石墨材料的D50、第三活性涂层中石墨材料的D50。其中,所述D50是指活性材料累计体积百分数达到50%时所对应的粒径。
在本发明的一个实施例中,所述第一活性涂层和第二活性涂层中材料的粒径比值满足:50≥D石墨50/D硅氧50≥5,其中,D石墨50是指第一活性涂层或第二活性涂层中石墨材料的粒径值,D硅氧50是指第一活性涂层或第二活性涂层中活性硅氧材料的粒径值。
本发明的第二个目的在于提供一种二次电池,包括硅基负极极片、正极极片、隔离膜和电解液,包括所述的硅基负极极片。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:
本发明低反弹、长循环性能的多层间隔涂布负极极片,不仅从涂布方式上大幅度降低硅基负极极片的膨胀问题,且通过硅氧区的交叉分布,提升了硅基负极整体的膨胀一致性,使其具备优异的电化学性能,因此在高硅锂电池的应用中具备良好的应用前景。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解,下面根据本发明的具体实施例并结合附图,对本发明作进一步详细的说明,其中
图1是本发明第一活性涂层平面示意图;
图2是本发明负极集流体各个涂层截面示意图;
说明书附图标记说明:1、负极集流体,2、活性石墨区,3、硅氧区,4、第一活性涂层,5、第二活性涂层,6、第三活性涂层。
具体实施方式
为了解决背景技术中指出的如何有效降低硅基负极的膨胀的技术问题,本发明提供了一种利用多层间隔涂布负极极片通过硅氧区的交叉分布。
本发明的第一个目的在于提供一种硅基负极极片,包括负极集流体,以及在负极集流体的至少一面依次设置的第一活性涂层、第二活性涂层、第三活性涂层;
所述第一活性涂层和第二活性涂层独立地分为硅氧区和活性石墨区;
所述硅氧区包括活性硅氧材料,
所述活性石墨区包括石墨材料;
所述第三活性涂层包括石墨材料;
所述第一活性涂层或第二活性涂层中的硅氧区和活性石墨区间隔涂覆;
所述第一活性涂层的硅氧区(或活性石墨区)与所述第二活性涂层的硅氧区(或活性石墨区)垂直方向上交错分布,也即所述第一活性涂层的活性石墨区与所述第二活性涂层的活性石墨区在垂直方向上也交错分布,呈现一种互补的状态,即第一活性涂层和第二活性涂层中的硅氧区(或活性石墨区)为交错关系,垂直方向上(即极片厚度方向)不重叠,也就是,比如在负极集流体的正投影方向上,第二活性涂层的硅氧区在第一活性涂层的两个石墨区之间。
在具体实施例中,所述活性硅氧材料粒径为纳米级小颗粒,表面包覆导电层,表面包裹导电层的硅氧材料的粒径为100-1000nm。
在具体实施例中,所述导电层为本领域常规的导电材料,优选且不限于包括活性炭、石墨烯、导电炭黑、乙炔黑、石墨、石墨烯、天然石墨、人造石墨、碳纤维、导电高分子聚合物、Denka黑、活性炭、纳米导电纤维、碳纳米管、高分子导电聚合物、碳微纳米线状导电材料、碳微纳米管状导电材料中的一种或多种,也可以是各种掺杂多种导电剂的材料。应理解,在不违背本申请的精神下,可以根据具体需要选择其他能够实现本申请功能的导电剂,而不受其限制。
在具体实施例中,所述第一活性涂层中的硅氧区还包括第一导电剂和第一粘结剂,所述第二活性涂层中的活性石墨区还包括第二导电剂和第二粘结剂,各原料的比例关系满足:W活性硅氧材料/W石墨材料= W第一导电剂/W第二导电剂= W第一粘结剂/W第二粘结剂。W表示材料的质量。
在具体实施例中,所述硅氧区的原料粘度与石墨活性区的原料粘度比值为0.8-1.2。不同活性区的原料粘度保持一致更利于分层涂覆。
在具体实施例中,所述硅氧区的宽度D和长度L与硅氧区总涂层的面积S满足:5%≤(L11×D11+L12×D12+L11×D11+…LNN×DNN)/S≤70%,其中,L11、L22、L33、LNN指第一个、第二个、第三个、第N个硅氧区的长度,D11、D22、D33、DNN是指第一个、第二个、第三个、第N个硅氧区的宽度。当面积比例过小(小于5%),对提升电池的能量密度相对于成本来说不占优势;如果面积比例过大(大于70%),一方面对活性层的材料膨胀一致性影响大,另一方面影响极片层与层之间的剥离力,会导致剥离力下降的问题。
在具体实施例中,所述硅氧区长度L与宽度D与第一活性涂层或第二活性涂层总料区的长宽比值满足:DLNN/D料区≤0.5,LLNN/L料区≤1,其中,DLNN表示第N个硅氧区的宽度,LLNN表示第N个硅氧区的长度;D料区表示第一活性涂层或第二活性涂层的总宽度,L料区表示第一活性涂层或第二活性涂层的总长度。当DLN1/D料区≤0.5数值过大,表示补锂区的宽度过大,对于极片宽度方向上的膨胀产生更大的影响,影响一致性水平。
在具体实施例中,所述第一活性涂层与第二活性涂层之间的高度关系满足5%≤(H1+H2)/H总≤80%,H1指第一活性涂层的高度,H2是指第二活性涂层的高度,H总是指负极集流体所有活性涂层的总高度。当该数值过大(大于80%),相当于第三活性涂层厚度低,则对第一活性涂层和第二活性涂层的束缚作用力降低,对膨胀影响较大;该数值过小(小于5%),则成本优势和能量密度的综合提升不占很大优势。
在具体实施例中,所述第三活性涂层的高度H3与负极集流体所有活性涂层的总高度H总的关系:H3/H总≤0.4。通过设置第三活性层,可以更好的在垂直方向上构建孔道结构,利于锂离子的扩散和传输。
在具体实施例中,所述负极集流体中三层活性涂层中的石墨材料的粒径D50的满足以下关系:D150≤D250≤D350,其中,D150、D250、D350分别指第一活性涂层中石墨材料的D50、第二活性涂层中石墨材料的D50、第三活性涂层中石墨材料的D50。通过设置粒径梯度,由于外部的粒径大,所以外部的孔径大,因此在正极集流体的正投影的方向上孔道越往外越大,更有利于锂离子传输。
在具体实施例中,所述第一活性涂层和第二活性涂层中材料的粒径比值满足:50≥D石墨50/D硅氧50≥5,其中,D石墨50是指第一活性涂层或第二活性涂层中石墨材料的粒径值,D硅氧50是指第一活性涂层或第二活性涂层中活性硅氧材料的粒径值。当该数值过大(大于50),即石墨材料的粒径太大,硅氧材料的粒径太小,加剧了材料的不一致性,相当于兼容性变差;数值过小(小于5),说明硅氧材料的粒径相对太大,膨胀影响过大,膨胀变大,循环过程中结构容易破坏,循环等性能会变差。
本发明的第二个目的在于提供一种二次电池,包括负极极片、正极极片、隔离膜和电解液,所述负极极片为所述硅基负极极片。
在具体实施例中,隔离膜材料亦不受限制,可以使用现有电池所应用的任一材料或者它们的多层复合膜。
在具体实施例中,电解液包括电解质盐以及有机溶剂,其种类和组成不受限制,电解液可以添加不受限制的种类的添加剂。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施,但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种硅基负极极片,具体如下:
(一)、负极极片:三层活性涂层中的石墨材料的粒径D50的关系依次为D150=D250=D350=10cm,且第一活性涂层与第二活性涂层中石墨材料与硅氧材料的粒径比值满足D石墨50/D硅氧50=20;
(二)、具体制备方法为:
(1)、第一活性涂层的制备:
S1、石墨区的活性石墨浆料的配制:第一活性石墨、SP、CMC、SBR按重量比为96.5∶0.5:1.2:1.8的比例在溶剂体系中充分搅拌混合均匀后备用。
S2、硅氧区的活性硅氧浆料的配置:第一活性硅氧材料、SP、CMC、SBR、PAN按重量比为96.5∶0.5:(0.4:0.6):2的比例在溶剂体系水中充分搅拌混合均匀后备用。
S3、将步骤S2中所得活性硅氧浆料按照要求间隔喷涂在铜箔上,烘干后,将步骤S1中活性石墨浆料喷涂在上述铜箔剩余的空白区域,得到第一活性涂层,其中铜箔划分为硅氧区和活性石墨区,且满足:DLN1/D料区=0.1,LLN1/L料区=0.1。
(2)、第二活性涂层的制备:
同理,第二活性涂层中的石墨区的活性石墨浆料和第二活性层中的硅氧区的活性硅氧浆料按照第一活性涂层的相同方法制备,以及相同要求喷涂在第一活性层上,其中,第二活性涂层中硅氧区与第一活性涂层中硅氧区在纵向位置上呈现交叉,如图1所示,H(第一活性层和第二活性层)/H总厚度=0.8。
(3)、第三活性涂层的制备:活性石墨、SP、CMC、SBR按重量比为96.5∶0.5:1.2:1.8的比例在溶剂体系水中充分搅拌混合均匀后喷涂在第二活性涂层上,烘干即得到所述硅基负极极片。
(二)、正极极片:活性材料与导电剂SP、CNT、PVDF的质量比例为97:1:0.5:1.5均匀混合,涂敷于铝箔上烘干、冷压、分切得到正极极片。
对比例1
正极极片同实施例1中正极相同;
负极极片:按照相应的配比,依次涂敷第一活性涂层,仅为纯石墨涂层(涂料与实施例1中第一活性涂层中石墨区的活性石墨浆料一致),第二活性层,仅为硅氧材料(涂料与实施例1中第一活性涂层中硅氧区的活性硅氧材料浆料一致),第三活性涂层,仅为纯石墨涂层(与实施例1中第三活性涂层中石墨浆料一致),得到负极极片。
对比例2
正极极片同实施例1中正极相同;
负极极片:本实施例中的硅氧材料、石墨活性材料、导电剂、粘结剂按照实施例1中所有浆料的质量比例均匀混合,仅涂一层均匀的负极涂层,得到负极极片。
对比例3
正极极片与实施例1中相同
负极极片:三层活性涂层中的石墨材料的粒径D50的关系依次为D150=20um,D250=10um,D350=5um,且第一活性涂层与第二活性涂层中石墨材料与硅氧材料的粒径比值满足D石墨50/D硅氧50=20;其余条件与实施例1基本相同,按照本发明要求得到负极极片。
对比例4
正极极片与实施例1中相同
负极极片:三层活性涂层中的石墨材料的粒径D50的关系依次为D150=D250=D350=10um,且第一活性涂层与第二活性涂层中石墨材料与硅氧材料的粒径比值满足D石墨50/D硅氧50=20;其中DLN1/D料区=0.8,LLN1/L料区=0.1,其余条件与实施例1基本相同,按照本发明要求得到负极极片。
对比例5(相当于不是交错的情况)
正极极片同实施例1中正极相同;
负极极片:与实施例1的区别在于将第一活性涂层和第二活性层设置为一层活性层,且上下层各自的硅氧区和活性石墨区的涂覆不是交错的方式,而是同步重叠的情况,且H活性层/H总高度=0.8,将纯石墨层涂覆在第一活性层上,得到两层间隔式硅基负极极片。
电池组装
(1)、隔离膜:以PE多孔聚合薄膜作为隔离膜。
(2)、电解液:将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)按照体积比3:5:2进行混合,然后将充分干燥的锂盐LiPF6按照1.2mol/L的比例溶解于混合有机溶剂中,配制成电解液。
(3)、全电池制备:将实施例以及对比例所得正极极片、隔离膜、实施例以及对比例所得负极极片按顺序排列好,在每对正负极中间放置一层隔离膜,并卷绕得到裸电芯。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池中,经过真空封装、静置、化成、整形等工序,获得5AH锂离子二次电池。
电池性能测试
将装配好的锂离子电池进行常规电池性能测试,包括内阻标定、倍率测试、循环100周拆解等等。
(一)首效、内阻、循环200周寿命:此部分测试数据均采用化成数据,首效=首次放电容量/充电总容量;内阻测试采用万用表直接测量数据;取1C/1C循环后100周,测试其容量保持率=200周的容量/第三周的容量。
(二)负极满电厚度:在25℃的温度下,进行1C横流恒压充电,流程结束后拆解,使用千分尺测量横向和纵向上的厚度。
各实施例及对比例数据详见下表1:
表1
从测试结果来看,实施例1中所得电池拥有最好的表现,在首效、内阻、循环性能、和极片表观状态上都具有良好的表现,说明本发明所得硅基负极级片在负极硅氧材料的间隔式涂布与垂直方向的多层涂布的协同作用,使锂电池拥有最好的电性能发挥,且该硅基负极极片在横向和纵向上结构稳定性最优,使该设计具备较强的市场竞争力。
实施例1相比于对比例1,对比例1中的内阻变大、循环性能变差以及极片整体反弹增大且横向延展率变大,说明,本发明集流体中活性涂层表面采用间隔涂布的方式使多层硅基负极极片由于在横向上石墨区对硅氧材料的反弹抑制,降低了在横向上的反弹和纵向上的反弹,避免了因负极反弹而导致过多电解液的消耗,影响循环性能的发挥。
实施例1相比于对比例2中,对比例2中电池循环性能表现最差,极片反弹表现最大,横向延展率也相应变大,因此说明分层硅氧涂敷从设计上可以降低硅基负极极片的反弹。
实施例1相比于对比例3,当石墨材料的粒径大小发生改变时,对比例3中并未形成一种由里到外的粒径增大的情况,也就没有形成孔道结构,导致锂离子的传输不突出,也导致电池首效和容量保持率都会下降,说明结构上的孔道结构的降低引起了电池首效和循环的降低。
实施例相比与对比例4,当补锂区的宽度设置过大,不仅引起了电芯宽度上的反弹过大,而且增加了水平方向上的膨胀的差异性,导致出现了首效降低的弊端。
实施例1相比于对比例5,对比例5在首效和循环性能上与实施例1比略低,横向极片延长率明显大于实施例1,可见在水平方向的膨胀一致性变差,中间的反弹和两侧的反弹出现了不一致的情况,且差异较大。说明通过设置多层交错间隔涂覆降低了硅基负极在横向和纵向方向上的反弹和延展,稳定了该硅基负极极片的结构,使硅基负极的反弹呈现出良好的一致性,因此循环性能更优。
综上所述,采用本发明的间隔多层硅基负极设计,不仅能够大幅度降低硅基负极极片的反弹,且能从设计上使纵向上反弹一致,降低横向上的延展,更有利于硅基负极结构的稳定。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,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。而由此所引申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 (8)
1.一种硅基负极极片,其特征在于,包括负极集流体,以及在负极集流体的至少一面依次设置的第一活性涂层、第二活性涂层、第三活性涂层;
所述第一活性涂层和第二活性涂层独立地分为硅氧区和活性石墨区;
所述硅氧区包括活性硅氧材料;
所述活性石墨区包括石墨材料;
所述第三活性涂层包括石墨材料;
所述第一活性涂层和第二活性涂层中的硅氧区和活性石墨区各自独立间隔涂覆;
所述第一活性涂层的硅氧区与所述第二活性涂层的硅氧区在负极集流体厚度方向上呈交错分布;
所述硅氧区长度L与宽度D与第一活性涂层或第二活性涂层总料区的长宽比值满足:DLNN/D料区≤0.5,LLNN/L料区≤1,其中,DLNN表示第N个硅氧区的宽度,LLNN表示第N个硅氧区的长度;D料区表示第一活性涂层或第二活性涂层的总宽度,L料区表示第一活性涂层或第二活性涂层的总长度;
所述第一活性涂层与第二活性涂层之间的高度关系满足5%≤(H1+H2)/H总≤80%,H1指第一活性涂层的高度,H2是指第二活性涂层的高度,H总是指负极集流体所有活性涂层的总高度。
2.根据权利要求1所述的硅基负极极片,其特征在于,所述活性硅氧材料粒径为纳米级小颗粒,表面包覆导电层,表面包覆导电层的硅氧材料的粒径为100-1000nm。
3.根据权利要求1所述的硅基负极极片,其特征在于,所述第一活性涂层中的硅氧区还包括第一导电剂和第一粘结剂,所述第二活性涂层中的活性石墨区还包括第二导电剂和第二粘结剂,各原料的比例关系满足:W活性硅氧材料/W石墨材料= W第一导电剂/W第二导电剂= W第一粘结剂/W第二粘结剂。
4.根据权利要求1所述的硅基负极极片,其特征在于,所述硅氧区的宽度D和长度L与硅氧区总涂层的面积S满足:5%≤(L11×D11+L22×D22+L33×D33+…LNN×DNN)/S≤70%,其中,L11、L22、L33、LNN指第一个、第二个、第三个、第N个硅氧区的长度,D11、D22、D33、DNN是指第一个、第二个、第三个、第N个硅氧区的宽度。
5.根据权利要求1所述的硅基负极极片,其特征在于,所述第三活性涂层的高度H3与负极集流体所有活性涂层的总高度H总的关系:H3/H总≤0.4。
6.根据权利要求1所述的硅基负极极片,其特征在于,所述负极集流体中三层活性涂层中的石墨材料的粒径D50的满足以下关系:D150≤D250≤D350,其中,D150、D250、D350分别指第一活性涂层中石墨材料的D50、第二活性涂层中石墨材料的D50、第三活性涂层中石墨材料的D50。
7.根据权利要求1所述的硅基负极极片,其特征在于,所述第一活性涂层和第二活性涂层中材料的粒径比值满足:50≥D石墨50/D硅氧50≥5,其中,D石墨50是指第一活性涂层或第二活性涂层中石墨材料的粒径值,D硅氧50是指第一活性涂层或第二活性涂层中活性硅氧材料的粒径值。
8.一种二次电池,包括负极极片、正极极片、隔离膜和电解液,其特征在于,所述负极极片为权利要求1-7中任一项所述的硅基负极极片。
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