CN116365013A - 一种二次电池和用电设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种二次电池和用电设备。所述二次电池包括正极极片、电解质、隔离膜和负极极片，所述二次电池满足如下关系：5≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤50。本发明通过对正、负极活性物质的合理搭配，使正、负极极片的可逆克容量、极片压实密度以及活性物质的粒径分布关系符合本发明的特定的条件，得到的二次电池的能量密度和循环性能与现有技术相比，得到了显著的提升。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其是一种二次电池和用电设备。
背景技术
二次电池具有重量轻和无记忆效应等突出优势，已逐步应用于电动汽车等领域。而随着人们对电动汽车续航里程以及电池使用寿命的要求越来越高，现有二次电池已不能满足人们的需求。
通过对正极材料进行掺杂可在一定程度提高二次电池的能量密度。例如，在铁锂氧化物的基础上掺杂一定比例的锰元素，可扩大电压窗口，进而提高理论能量密度。然而，锰铁锂氧化物普遍存在Jahn-Teller效应，富集在正极材料颗粒表面的Mn3+发生歧化与溶出，析出的锰离子通过电解液达到负极，造成SEI层的破坏和重组，消耗电解液和活性锂，从而导致理论比容量下降。此外，锰溶出还会造成材料晶格畸变、结构坍塌，从而恶化二次电池的循环稳定性。因此，如何提高二次电池的能量密度和循环性能仍是整个动力电池行业努力的方向。
发明内容
本发明的目的在于，解决现有的二次电池的能量密度和循环性能仍需进一步提升的问题，提供一种二次电池。本发明通过对正、负极活性物质的合理搭配，使正、负极极片的可逆克容量、极片压实密度以及活性物质的粒径分布关系控制在本发明的特定的条件，得到的二次电池的能量密度和循环性能与现有技术相比，得到了显著的提升。
为实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种二次电池，所述二次电池包括正极极片、电解质、隔离膜和负极极片，所述正极极片包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个表面上的包含正极活性物质的正极活性物质层，所述负极极片包括负极集流体以及设置在负极集流体至少一个表面上的包含负极活性物质的负极活性物质层；
所述二次电池满足如下关系：
5≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤50；
其中，C正为正极极片的可逆克容量，C负为负极极片的可逆克容量，单位为mAh/g；
PD正为正极极片的压实密度，PD负为负极极片的压实密度，单位为g/cm3；
Dv50正为正极活性物质累计体积百分数达到50％时所对应的粒径，Dv50负为负极活性物质累计体积百分数达到50％时所对应的粒径，单位为μm；
Dn50正为正极活性物质累计数量百分数达到50％时所对应的粒径，Dn50负为负极活性物质累计数量百分数达到50％时所对应的粒径，单位为μm。
作为本发明的实施方案，所述正极活性物质和/或负极活性物质的粒径还满足：0.5≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤12，其中，Dv10为所述正极活性物质或负极活性物质累计体积百分数达到10％时所对应的粒径，单位为μm；Dv50为所述正极活性物质或负极活性物质累计体积百分数达到50％时所对应的粒径，单位为μm；Dv90为所述正极活性物质或负极活性物质累计体积百分数达到90％时所对应的粒径，单位为μm。
作为本发明的实施方案，所述正极活性物质的粒径满足：1≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤12；和/或，所述负极活性物质的粒径满足：0.5≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤2.5。
作为本发明的实施方案，所述正极活性物质包括铁锂氧化物或锰铁锂氧化物中的至少一种；和/或，所述负极活性物质包括石墨、硅碳复合物中的至少一种。
作为本发明的实施方案，所述正极活性物质包括铁锂氧化物，所述负极活性物质包括石墨，所述二次电池满足：30≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤50，所述二次电池还满足如下a～f条件中的至少一种：
a.可逆克容量150mAh/g≤C正≤160mAh/g；
b.可逆克容量310mAh/g≤C负≤340mAh/g；
c.正极极片的压实密度PD正为2.45～2.7g/cm3；
d.负极极片的压实密度PD负为1.1～1.5g/cm3；
e.正极活性物质的粒径满足：2.5≤Dv50正/Dn50正≤8，且Dv50正为1.0～2.0μm，Dn50正为0.25～0.40μm；或1≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤4；
f.负极活性物质的粒径满足：2.5≤Dv50负/Dn50负≤20，且Dv50负为10～20μm，Dn50负为1～4μm；或0.5≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤2.5。
作为本发明的实施方案，所述正极活性物质包括锰铁锂氧化物，所述负极活性物质包括石墨，所述二次电池满足：10≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤35，所述二次电池还满足如下a～f条件中的至少一种：
a.可逆克容量140mAh/g≤C正≤150mAh/g；
b.可逆克容量310mAh/g≤C负≤340mAh/g；
c.正极极片的压实密度PD正为2～2.4g/cm3；
d.负极极片的压实密度PD负为1.1～1.5g/cm3；
e.正极活性物质的粒径满足：1≤Dv50正/Dn50正≤15，且Dv50正为0.5～1.5μm，Dn50正为0.1～0.5μm；或7≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤12；
f.负极活性物质的粒径满足：2.5≤Dv50负/Dn50负≤20，且Dv50负为10～20μm，Dn50负为1～4μm；或0.5≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤2.5。
作为本发明的实施方案，所述正极活性物质包括锰铁锂氧化物，所述负极活性物质包括石墨，所述二次电池满足：17≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤35。
作为本发明的实施方案，所述正极活性物质包括铁锂氧化物，所述负极活性物质包括硅碳复合物，所述二次电池满足：15≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤35，所述二次电池还满足如下a～f条件中的至少一种：
a.可逆克容量150mAh/g≤C正≤160mAh/g；
b.可逆克容量400mAh/g≤C负≤600mAh/g；
c.正极极片的压实密度PD正为2.45～2.7g/cm3；
d.负极极片的压实密度PD负为1.2～1.7g/cm3；
e.正极活性物质的粒径满足：2.5≤Dv50正/Dn50正≤8，且Dv50正为1.0～2.0μm，Dn50正为0.25～0.40μm；或1≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤4；
f.负极活性物质的粒径满足：2≤Dv50负/Dn50负≤15，且Dv50负为8～15μm，Dn50负为1～4μm；或0.5≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤2.5。
作为本发明的实施方案，所述正极活性物质包括锰铁锂氧化物，所述负极活性物质包括硅碳复合物，所述二次电池满足：5≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤25，所述二次电池还满足如下a～f条件中的至少一种：
a.可逆克容量140mAh/g≤C正≤150mAh/g；
b.可逆克容量400mAh/g≤C负≤600mAh/g；
c.正极极片的压实密度PD正为2～2.4g/cm3；
d.负极极片的压实密度PD负为1.2～1.7g/cm3；
e.正极活性物质的粒径满足：1≤Dv50正/Dn50正≤15，且Dv50正为0.5～1.5μm，Dn50正为0.1～0.5μm；或7≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤12；
f.负极活性物质的粒径满足：2≤Dv50负/Dn50负≤15，且Dv50负为8～15μm，Dn50负为1～4μm；或0.5≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤2.5。
作为本发明的实施方案，所述正极活性物质包括锰铁锂氧化物，所述负极活性物质包括硅碳复合物，所述二次电池满足：11≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤19。
本发明的第二方面，提供了包含上述二次电池的用电设备。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明正极材料、负极材料的合理设计，使电池两极的极片的可逆克容量、极片压实密度以及活性物质的粒径分布关系符合本发明的特定的条件，得到的二次电池的能量密度和循环性能与现有技术相比，得到了显著的提升。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
本发明的实施例提供了一种二次电池，包括正极极片、电解质、隔离膜和负极极片，所述正极极片包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个表面上的包含正极活性物质的正极活性物质层，所述负极极片包括负极集流体以及设置在负极集流体至少一个表面上的包含负极活性物质的负极活性物质层；
所述二次电池满足如下关系：
5≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤50；
其中，C正为正极极片的可逆克容量，C负为负极极片的可逆克容量；
PD正为正极极片的压实密度，PD负为负极极片的压实密度；
Dv50正为正极活性物质累计体积百分数达到50％时所对应的粒径，Dv50负为负极活性物质累计体积百分数达到50％时所对应的粒径，单位为μm；
Dn50正为正极活性物质累计数量百分数达到50％时所对应的粒径，Dn50负为负极活性物质累计数量百分数达到50％时所对应的粒径，单位为μm。
本发明人发现二次电池能量密度的发挥与正极极片、负极极片的合理设计有关。具体地：一方面，正、负极活性材料可以通过大小颗粒级配的方式，使得正、负极极片在辊压过程中小颗粒可以填进大颗粒的缝隙中，从而明显提高极片的压实密度；另一方面，极片压实密度的提高同时减小了电解液与正、负极活性物质的电化学反应位点，导致正、负极极片的可逆克容量降低，进而导致初始放电量以及循环寿命降低。本发明人研究发现，通过控制二次电池[正极可逆克容量C正/负极可逆克容量C负]·[正极极片压实密度PD正/负极极片压实密度PD负]·[Dv50正/Dn50～正]·[Dv50负/Dn50负]的值在5～50的范围内，可以同时显著提高电池的能量密度和循环寿命。
二次电池中，电极极片的可逆克容量与压实密度、电极活性物质的粒径分布之间相互影响，进而影响电池的能量密度和循环性能。
上述关系式中：
C正和C负分别为正极极片、负极极片的可逆克容量，从技术原理上来讲，二次电池在经过化成、分容后，负极表面的固态电解质膜已经基本上生长完全，充放电过程中不可逆的锂损失基本稳定。分别用正、负极极片组装成扣式半电池，扣式半电池所释放的比容量为此压实密度下的正、负极极片可逆克容量的比值C正/C负，这个值更接近在此压实密度下正、负极极片分别在全电池中发挥的“真实”可逆比容量。所以，可以通过在特定极片压实密度下匹配正、负极可逆克容量，以此来设计高能量密度的二次电池。而正、负极可逆克容量的比值C正/C负过高，在充电过程中容易导致负极嵌锂电位较低，有导致负极表面锂析出，从而恶化二次电池的性能；正、负极可逆克容量的比值C正/C负过低，在充电过程中容易导致正极过度脱锂，有导致正极活性材料晶格不稳定的风险，从而也会影响二次电池的循环性能，此失效现象在锰铁锂氧化物(LiFe1-xMnxPO4(0.5≤x≤1))作为正极活性材料时尤为明显。
发明人研究发现，正、负极极片的压实密度会影响相应的正/负极极片的可逆克容量的发挥，从而影响二次电池能量密度的发挥。正极极片压实密度与负极极片压实密度的比值PD正/PD负过高，会导致正极活性材料与电解液的浸润性变差，减少了电化学过程中氧化还原反应位点，进而导致正极可逆克容量降低，导致二次电池的可逆比容量C正/C负过低，最终影响二次电池的性能发挥。正极极片压实密度与负极极片压实密度的比值PD正/PD负过低，会导致负极活性材料与电解液的浸润性变差，减少了电化学过程中氧化还原反应位点，进而导致负极可逆克容量降低，导致二次电池的可逆比容量C正/C负过高，同样也会影响二次电池的性能发挥。
正、负极活性物质的粒径大小也会影响正、负极极片的压实密度以及相应的极片加工过程，从而会影响二次电池能量密度的发挥。具体来说，正、负极活性材料的粒径比值Dv50正/Dn50正或Dv50负/Dn50负过高，在一定程度上是有利于正、负极极片压实密度提高，但含有较多的大颗粒的正、负极活性材料，增加了锂离子扩散路径，从而影响二次电池动力学性能的发挥；正、负极活性材料的粒径比值Dv50正/Dn50正或Dv50负/Dn50负过低，正、负极活性材料中小颗粒尺寸与大颗粒尺寸接近，影响正、负极极片压实密度的提升，从而影响二次电池的能量密度。
正、负极活性物质的粒径分布也会影响正、负极极片的压实密度以及相应的极片加工过程，从而会影响二次电池能量密度的发挥。具体来说，正、负极活性材料的粒径分布(Dv90正-Dv10正)/Dv50正或(Dv90负-Dv10负)/Dv50负过宽(大颗粒在正、负活性材料中的占比较大)，会导致大颗粒的正、负极活性物质脱嵌锂过程的速度较慢，导致较大的动力学极化，影响二次电池电性能的发挥；正、负极活性材料的粒径分布(Dv90正-Dv10正)/Dv50正或(Dv90负-Dv10负)/Dv50负过窄(大颗粒在正、负活性材料中占比较小)，虽然具有良好的动力学性能，但不利于正、负极极片的压实密度的提高，会导致电池能量密度损失较多。因此，在一些实施方式中，所述正极活性物质和/或负极活性物质的粒径还满足：0.5≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤12，其中，Dv10为所述正极活性物质或负极活性物质累计体积百分数达到10％时所对应的粒径，单位为μm；Dv90为所述正极活性物质或负极活性物质累计体积百分数达到90％时所对应的粒径，单位为μm。
在一些实施例中，所述正极活性物质的粒径进一步优选满足1≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤12，其中，Dv10为所述正极活性物质或负极活性物质累计体积百分数达到10％时所对应的粒径，单位为μm；Dv50为所述正极活性物质或负极活性物质累计体积百分数达到50％时所对应的粒径，单位为μm；Dv90为所述正极活性物质或负极活性物质累计体积百分数达到90％时所对应的粒径，单位为μm；所述负极活性物质的粒径进一步优选满足0.5≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤2.5。正、负极活性物质颗粒的合理选择，可以进一步提电池的性能。
在一些实施例中，所述正极活性物质包括铁锂氧化物(LiaFePO4，0.95≤a≤1.1)和/或锰铁锂氧化物(LibFe1-xMnxPO4，0.5≤x≤1，0.95≤b≤1.1)，正极活性物质的表面还可以设有包覆层，本领域常规的正极活性物质的包覆层材料均可用于本发明中，例如碳、金属氧化物，且包覆层的含量和厚度不受限制。所述正极活性物质还可以就进行掺杂改性，掺杂的元素种类和含量不受限制，可以一种元素掺杂，也可以是多种元素共同掺杂。
在本发明的二次电池中，负极活性物质的种类不受具体限制，可根据实际需求进行选择。所述负极活性物质可选择碳材料、硅基材料中的一种或几种。其中，所述的碳材料可选自石墨、软碳、硬碳、碳纤维、中间相碳微球中的一种或几种；所述石墨可选自人造石墨、天然石墨中的一种或几种；所述的硅基材料可选自单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅合金中的一种或几种。
前面提到，二次电池中，极片的可逆克容量对电池的性能恶化的影响方面，在锰铁锂氧化物作为正极活性材料时尤为明显。也就是说，不同的正、负极活性材料搭配的电池中，电极的可逆克容量、极片的压实密度、电极活性物质的粒径分布这些因素对电池性能的影响程度略有差异。
因此，在一些实施例中，二次电池的正极活性物质包括铁锂氧化物，负极活性物质包括石墨，二次电池满足：30≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤50；所述二次电池中，各参数还满足如下条件中的至少一种：
a.可逆克容量150mAh/g≤C正≤160mAh/g；
b.可逆克容量310mAh/g≤C负≤340mAh/g；
c.正极极片的压实密度PD正为2.45～2.7g/cm3；
d.负极极片的压实密度PD负为1.1～1.5g/cm3；
e.正极活性物质的粒径满足：2.5≤Dv50正/Dn50正≤8，且Dv50正为1.0～2.0μm，Dn50正为0.25～0.40μm；或1≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤4；
f.负极活性物质的粒径满足：2.5≤Dv50负/Dn50负≤20，且Dv50负为10～20μm，Dn50负为1～4μm；或0.5≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤2.5。
在一些实施例中，二次电池的正极活性物质包括锰铁锂氧化物，负极活性物质包括石墨，二次电池满足：10≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤35；所述二次电池中，各参数还满足如下条件中的至少一种：
a.可逆克容量140mAh/g≤C正≤150mAh/g；
b.可逆克容量310mAh/g≤C负≤340mAh/g；
c.正极极片的压实密度PD正为2～2.4g/cm3；
d.负极极片的压实密度PD负为1.1～1.5g/cm3；
e.正极活性物质的粒径满足：1≤Dv50正/Dn50正≤15，且Dv50正为0.5～1.5μm，Dn50正为0.1～0.5μm；或7≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤12；
f.负极活性物质的粒径满足：2.5≤Dv50负/Dn50负≤20，且Dv50负为10～20μm，Dn50负为1～4μm；或0.5≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤2.5。
在一些实施例中，所述正极活性物质包括锰铁锂氧化物，所述负极活性物质包括石墨，所述二次电池满足：17≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤35。
在一些实施例中，二次电池的正极活性物质包括铁锂氧化物，负极活性物质包括硅碳复合物，二次电池满足：15≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤35；所述二次电池中，各参数还满足如下条件中的至少一种：
a.可逆克容量150mAh/g≤C正≤160mAh/g；
b.可逆克容量400mAh/g≤C负≤600mAh/g；
c.正极极片的压实密度PD正为2.45～2.7g/cm3；
d.负极极片的压实密度PD负为1.2～1.7g/cm3；
e.正极活性物质的粒径满足：2.5≤Dv50正/Dn50正≤8，且Dv50正为1.0～2.0μm，Dn50正为0.25～0.40μm；或1≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤4；
f.负极活性物质的粒径满足：2≤Dv50负/Dn50负≤15，且Dv50负为8～15μm，Dn50负为1～4μm；或0.5≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤2.5。
在一些实施例中，二次电池的正极活性物质包括锰铁锂氧化物，负极活性物质包括硅碳复合物，二次电池满足：5≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤25；所述二次电池中，各参数还满足如下条件中的至少一种：
a.可逆克容量140mAh/g≤C正≤150mAh/g；
b.可逆克容量400mAh/g≤C负≤600mAh/g；
c.正极极片的压实密度PD正为2～2.4g/cm3；
d.负极极片的压实密度PD负为1.2～1.7g/cm3；
e.正极活性物质的粒径满足：1≤Dv50正/Dn50正≤15，且Dv50正为0.5～1.5μm，Dn50正为0.1～0.5μm；或7≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤12；
f.负极活性物质的粒径满足：2≤Dv50负/Dn50负≤15，且Dv50负为8～15μm，Dn50负为1～4μm；或0.5≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤2.5。
在一些实施例中，所述正极活性物质包括锰铁锂氧化物，所述负极活性物质包括硅碳复合物，所述二次电池满足：11≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤19。
在本发明的二次电池中，所述的正极活性物质层可设置在正极集流体的其中一个表面上也可以设置在正极集流体的两个表面上。所述正极活性物质层还可包括导电剂以及粘结剂，其中导电剂以及粘结剂的种类和含量不受具体的限制，可以根据实际需求进行选择。所述的正极集流体的种类也不受具体的限制，可根据实际需求进行选择。
在本发明的二次电池中，所述的负极活性物质层可设置在负极集流体的其中一个表面上也可以设置在负极集流体的两个表面上。所述负极活性物质层还可包括导电剂以及粘结剂，其中导电剂以及粘结剂的种类和含量不受具体的限制，可以根据实际需求进行选择。所述的负极集流体的种类也不受具体的限制，可根据实际需求进行选择。
需要说明的是，当正极活性物质层、负极活性物质层分别设置在正极集流体和负极集流体两个表面上时，只要正极集流体其中任意一个表面上的正极活性物质和负极集流体其中任意一个表面上的负极活性物质满足本发明的上述关系，即认为该电池落入本发明的保护范围内。同时本发明所给的各正、负极活性物质的参数也均指单面正、负极活性物质的参数。
在本发明的二次电池中，所述的隔离膜设置在正、负极极片之间，起到隔离的作用。其中，所述隔离膜的种类并不受到具体的限制，可以是现有电池中使用的任何隔离膜材料，例如聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或它们的多层复合膜，但不仅限于这些。
本发明的二次电池中，所述电解质的种类并不受到具体的限制，可以为液体电解质(又称电解液)，可以为固体电解质。优选使用液体电解质(电解液)。其中，所述电解液中包括电解质盐以及有机溶剂，电解质盐和有机溶剂的具体种类不受到具体的限制，可根据实际需求进行选择。所述电解液中还可以包括添加剂，所述添加剂的种类没有特别的限制，可以为成膜添加剂，也可以为能够改善电池某些性能的添加剂，例如改善电池高或低温性能的添加剂。
本发明还保护包括上述二次电池的用电设备。
以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。本发明所采用的试剂、方法和设备，如无特殊说明，均为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1～56、对比例1～5
本发明的实施例和对比例提供一系列二次电池，具体制备流程包括如下步骤：
正极极片的制备
将正极活性物质、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)、导电剂乙炔黑按照质量比96:2:2进行混合，加入溶剂N-甲基吡咯烷酮；然后转入真空搅拌机中搅拌至体系呈均一状即得到正极浆料；将正极浆料均匀涂覆到正极集流体(碳涂覆铝箔)双面表面上；将涂覆后的极片经过烘箱干燥，然后经过冷压、分切得到正极极片。
负极极片的制备
将负极活性物质、增稠剂羧甲基纤维素钠、粘接剂丁苯橡胶、导电剂乙炔黑按照质量比97:1:1:1进行混合，加入去离子水，在真空搅拌机作用下获得负极浆料；将负极浆料均匀涂覆在负极集流体铜箔上；将涂敷后的极片转移至烘箱干燥，然后经过冷压、分切得到负极极片。
电解液的制备
有机溶剂为含有碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合液，其中，EC、EMC和DEC的体积比为20:20:60。在含水量<10ppm的氩气气氛手套箱中，将充分干燥的锂盐LiPF6溶解于有机溶剂中，混合均匀，获得电解液，电解液中，锂盐的浓度为1mol/L。
二次电池的组装
将正极极片、隔离膜(聚丙烯)、负极极片按顺序叠好，使隔离膜处于正、负极片之间起到隔离的作用，再卷绕成方形的裸电芯后，装入壳内，然后在80℃下烘烤除水后，注入电解液、封口，经静置、热冷压、化成、分容等工序后，即可得到二次电池。
正极活性物质、负极活性物质的具体选择及其参数详见表1。
本发明中，正、负极活性物质的粒度以及粒径分布采用马尔文3000激光粒度仪测试得到，测试采用的分散剂为去离子水。
表1实施例和对比例中是用的正、负极活性物质的性能参数
对上述实施例和对比例得到的二次电池的性能进行测试，具体测试项目及测试方法和结果如下：
1.正、负极极片的可逆克容量(mAh/g)测试：
①将经化成、分容后的二次电池在充满氩气的手套箱里面拆解，获取相对应的正极、负极极片；将正极、负极极片浸泡DMC溶液晾干后，分别组装成CR2032型扣式电池进行测试可逆克容量测试，其中一极为正极极片或负极极片，另一极为金属锂片，电解液为1mol/L的LiPF6，电解液中的有机溶剂为EC/DMC/EMC(体积比1:1:1)混合溶剂。②对于正极活性物质为磷酸铁锂(LFP)时，电化学性能测试的电压窗口为2.0～3.7V；对于正极活性物质为磷酸锰铁锂(LMFP)时，电化学性能测试的电压窗口为2.5～4.35V；对于负极活性物质来说，电化学性能测试的电压窗口为0.1～2.5V。③将正极极片所组装的扣式半电池进行0.1C恒流恒压充电至电压上限，恒压阶段截止电流为0.05C，然后以0.1C恒流放电至电压下限，然后以此流程重复3次，记录第3次放电容量，即为正极极片可逆克容量C正；将负极极片所组装的扣式半电池进行0.1C恒流放电至电压下限，然后以0.1C恒流恒压充电至电压上限，恒压阶段截止电流为0.05C，然后此以流程重复3次，记录第3次充电容量，即为负极极片可逆克容量C负。
2.正、负极极片的压实密度PD(单位为g/cm3)：
以正极极片的压实密度为例，1)首先称取单位面积为1540.25mm2空铝箔的质量为m1，单位为g；2)再称取单位面积为1540.25mm2双面均匀涂覆正极活性材料层的正极极片质量为m2，单位为g，所以有CW＝(m2-m1)/2，单位为g/1540.25mm2；3)通过千分尺量取铝箔的厚度L1，单位为μm；量取双面均匀正极活性材料的正极极片厚度为L2，单位为μm，所以有极片的压实密度PD＝2*CW/(L2-L1)，单位为g/cm3。负极极片的压实密度的计算方法类似。
3.二次电池的放电性能测试：
3.1 0.33C放电克容量(单位为mAh/g)测试：
①调节保温箱的温度为25℃，静置2h；②0.33C恒流充电至3.65V，随后恒压充电至截止电流0.05C；③静置5min；④以0.33C恒流放电至2.5V；⑤静置5min。
3.2 4C倍率放电性能测试：
①调节保温箱的温度为25℃，静置2h；②以0.33C恒流充电至3.65V，随后恒压充电至截止电流0.05C；③静置5min；④以0.33C恒流放电至2.5V；⑤静置5min；⑥以0.33C恒流充电至3.65V，随后恒压充电至截止电流0.05C；⑦静置5min；⑧以4C恒流放电至2.5V；⑨静置5min；其中，4C放电容量保持率(％)＝4C倍率下的放电克容量/0.33C放电克容量×100％。
3.3循环容量保持率测试：
循环步骤为：①调节保温箱的温度为25℃，静置2h；②以0.33C恒流充电至3.65V，随后恒压充电至截止电流0.05C；③静置5min；④以0.33C恒流放电至2.5V；⑤静置5min；⑥以1C恒流充电至3.65V，随后恒压充电至截止电流0.05C；⑦静置5min；⑧以1C恒流放电至2.5V；⑨静置5min；⑩重复⑥～⑨步，直至4000个循环。其中，容量保持率(％)＝4000圈循环后的放电克容量/1C首圈放电克容量×100％。
4.二次电池的能量密度：
在25℃下，将实施例和对比例制备得到的二次电池以1C倍率满充，1C倍率放电，记录此时的实际放电能量；在25℃下，使用电子称对该电池进行称重；电池实际1C放电能量与电池重量的比值即为电池的实际能量密度。
其中，1)当实际能量密度<80％目标能量密度时，认为电池实际能量密度非常低；2)当80％目标能量密度≤实际能量密度<95％目标能量密度时，认为电池实际能量密度偏低；3)当95％目标能量密度≤实际能量密度<105％目标能量密度时，认为电池实际能量密度适中；4)当105％目标能量密度≤实际能量密度<120％目标能量密度时，认为电池实际能量密度较高；5)当120％目标能量密度≤实际能量密度时，认为电池实际能量密度非常高。
表2实施例和对比例制备得到的二次电池的性能测试结果
注：表格中，R＝[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]。
从上述结果可以看出：
从以上实施例和对比例来看，不同体系的正极和负极极片的可逆容量、极片压实密度、活性物质颗粒的粒径大小及分布都会对影响电池的电性能的发挥，从而影响电池的实际能量密度发挥。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明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 (15)
1.一种二次电池，包括正极极片、电解质、隔离膜和负极极片，所述正极极片包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个表面上的包含正极活性物质的正极活性物质层，所述负极极片包括负极集流体以及设置在负极集流体至少一个表面上的包含负极活性物质的负极活性物质层；
其特征在于，所述二次电池满足如下关系：
5≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤50；
其中，C正为正极极片的可逆克容量，C负为负极极片的可逆克容量，单位为mAh/g；
PD正为正极极片的压实密度，PD负为负极极片的压实密度，单位为g/cm3；
Dv50正为正极活性物质累计体积百分数达到50％时所对应的粒径，Dv50负为负极活性物质累计体积百分数达到50％时所对应的粒径，单位为μm；
Dn50正为正极活性物质累计数量百分数达到50％时所对应的粒径，Dn50负为负极活性物质累计数量百分数达到50％时所对应的粒径，单位为μm。
2.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述正极活性物质和/或负极活性物质的粒径还满足：0.5≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤12，
其中，Dv10为所述正极活性物质或负极活性物质累计体积百分数达到10％时所对应的粒径，单位为μm；Dv50为所述正极活性物质或负极活性物质累计体积百分数达到50％时所对应的粒径，单位为μm；Dv90为所述正极活性物质或负极活性物质累计体积百分数达到90％时所对应的粒径，单位为μm。
3.根据权利要求2所述的二次电池，其特征在于，所述正极活性物质的粒径满足：1≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤12；和/或，所述负极活性物质的粒径满足：0.5≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤2.5。
4.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述正极活性物质包括铁锂氧化物或锰铁锂氧化物中的至少一种；和/或，所述负极活性物质包括石墨、硅碳复合物中的至少一种。
5.根据权利要求1～4任一项所述的二次电池，其特征在于，所述正极活性物质包括铁锂氧化物，所述负极活性物质包括石墨，所述二次电池满足：30≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤50。
6.根据权利要求5所述的二次电池，其特征在于，所述二次电池还满足如下特征中的至少一种：
a.可逆克容量150mAh/g≤C正≤160mAh/g；
b.可逆克容量310mAh/g≤C负≤340mAh/g；
c.正极极片的压实密度PD正为2.45～2.7g/cm3；
d.负极极片的压实密度PD负为1.1～1.5g/cm3；
e.正极活性物质的粒径满足：2.5≤Dv50正/Dn50正≤8，且Dv50正为1.0～2.0μm，Dn50正为0.25～0.40μm；或1≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤4；
f.负极活性物质的粒径满足：2.5≤Dv50负/Dn50负≤20，且Dv50负为10～20μm，Dn50负为1～4μm；或0.5≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤2.5。
7.根据权利要求1～4任一项所述的二次电池，其特征在于，所述正极活性物质包括锰铁锂氧化物，所述负极活性物质包括石墨，所述二次电池满足：10≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤35。
8.根据权利要求7所述的二次电池，其特征在于，所述二次电池满足：17≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤35。
9.根据权利要求7所述的二次电池，其特征在于，所述二次电池还满足如下特征中的至少一种：
a.可逆克容量140mAh/g≤C正≤150mAh/g；
b.可逆克容量310mAh/g≤C负≤340mAh/g；
c.正极极片的压实密度PD正为2～2.4g/cm3；
d.负极极片的压实密度PD负为1.1～1.5g/cm3；
e.正极活性物质的粒径满足：1≤Dv50正/Dn50正≤15，且Dv50正为0.5～1.5μm，Dn50正为0.1～0.5μm；或7≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤12；
f.负极活性物质的粒径满足：2.5≤Dv50负/Dn50负≤20，且Dv50负为10～20μm，Dn50负为1～4μm；或0.5≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤2.5。
10.根据权利要求1～4任一项所述的二次电池，其特征在于，所述正极活性物质包括铁锂氧化物，所述负极活性物质包括硅碳复合物，所述二次电池满足：15≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤35。
11.根据权利要求10所述的二次电池，其特征在于，所述二次电池还满足如下特征中的至少一种：
a.可逆克容量150mAh/g≤C正≤160mAh/g；
b.可逆克容量400mAh/g≤C负≤600mAh/g；
c.正极极片的压实密度PD正为2.45～2.7g/cm3；
d.负极极片的压实密度PD负为1.2～1.7g/cm3；
e.正极活性物质的粒径满足：2.5≤Dv50正/Dn50正≤8，且Dv50正为1.0～2.0μm，Dn50正为0.25～0.40μm；或1≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤4；
f.负极活性物质的粒径满足：2≤Dv50负/Dn50负≤15，且Dv50负为8～15μm，Dn50负为1～4μm；或0.5≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤2.5。
12.根据权利要求1～4任一项所述的二次电池，其特征在于，所述正极活性物质包括锰铁锂氧化物，所述负极活性物质包括硅碳复合物，所述二次电池满足：5≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤25。
13.根据权利要求12所述的二次电池，其特征在于，所述二次电池满足：11≤[C正/C负]·[PD正/PD负]·[Dv50正/Dn50正]·[Dv50负/Dn50负]≤19。
14.根据权利要求12所述的二次电池，其特征在于，所述二次电池还满足如下特征中的至少一种：
a.可逆克容量140mAh/g≤C正≤150mAh/g；
b.可逆克容量400mAh/g≤C负≤600mAh/g；
c.正极极片的压实密度PD正为2～2.4g/cm3；
d.负极极片的压实密度PD负为1.2～1.7g/cm3；
e.正极活性物质的粒径满足：1≤Dv50正/Dn50正≤15，且Dv50正为0.5～1.5μm，Dn50正为0.1～0.5μm；或7≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤12；
f.负极活性物质的粒径满足：2≤Dv50负/Dn50负≤15，且Dv50负为8～15μm，Dn50负为1～4μm；或0.5≤(Dv90-Dv10)/Dv50≤2.5。
15.一种用电设备，其特征在于，包括权利要求1～14任意一项所述的二次电池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310319489.8A CN116365013A (zh) | 2023-03-22 | 2023-03-22 | 一种二次电池和用电设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310319489.8A CN116365013A (zh) | 2023-03-22 | 2023-03-22 | 一种二次电池和用电设备 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116365013A true CN116365013A (zh) | 2023-06-30 |
Family
ID=86941458
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310319489.8A Pending CN116365013A (zh) | 2023-03-22 | 2023-03-22 | 一种二次电池和用电设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116365013A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117254129A (zh) * | 2023-11-17 | 2023-12-19 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 二次电池和用电装置 |
-
2023
- 2023-03-22 CN CN202310319489.8A patent/CN116365013A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117254129A (zh) * | 2023-11-17 | 2023-12-19 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 二次电池和用电装置 |
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