CN116682931B - 电池极片及长循环锂电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电池极片及长循环锂电池，所述电池极片的集流体靠近极耳侧设有第一涂布区，远离极耳侧且与第一涂布区相连的其它区域设为第二涂布区，所述第二涂布区中导电剂的含量大于第一涂布区中导电剂的含量，从靠近极耳侧到远离极耳侧的面密度也呈梯度增长的趋势。本发明通过对电池极片导电剂含量的改进，使电池在使用过程中相对的正负极片CB值相对一致，均衡电池在充放电过程中极片的脱嵌锂量，同时避免因极片电流密度分布不均导致析锂问题，有效提升长循环锂电池的循环寿命和安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种电池极片及长循环锂电池。
背景技术
众所周知，锂离子电池在充放电过程中电流是通过极耳流向极片中，而通常锂离子电池极片的极耳都是在极片的一侧，这样即会使得电流在极片中分布不均匀，呈现出电池在充电过程中靠近极耳一侧的电流密度较大，从而导致电流密度大的地方析锂现象增大，从而增大电池使用过程中的失效风险。
当锂离子电池循环失效后，通过拆解通常会发现靠近极耳侧会发生析锂，并且在70%-80%SOC拆解100%SOH的电池，也会发现嵌锂不均匀的现象，如图1所示，可明显看出负极片的嵌锂深度从靠近负极耳侧向非极耳侧越来越大。
因此，本领域技术人员亟待解决充放电过程中电池极片因电流密度分布不均匀而出现的嵌锂不均，从而导致后期循环过程中出现的析锂现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电池极片，将其应用在锂离子长循环锂电池，能够较好的解决前期嵌锂不均，后期循环过程中的析锂现象。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
作为本发明公开的第一方面，提出了一种电池极片，所述集流体的敷料中活性物质占比为90%-98%，导电剂占比为0.5%-7%、粘结剂占比为1.5%-3%；
所述集流体靠近极耳侧设有第一涂布区，远离极耳侧且与第一涂布区相连的其它区域设为第二涂布区，所述第二涂布区中导电剂的含量大于第一涂布区中导电剂的含量，
所述第二涂布区导电剂为βn=K*（ΣLn/L1）+β1，其中K为添加系数，取值0.0005-0.001，L1为第一涂布区的长度距离，ΣLn为第一涂布区与第二涂布区对应长度距离之和；
所述电池极片的面密度为σn=σ1*α1/αn，其中σ1为第一涂布区的面密度，其中α1为第一涂布区活性物质占比，αn为第二涂布区对应长度距离的活性物质占比；
所述第一涂布区和第二涂布区中粘结剂γn为固定值；且第一涂布区和第二涂布区中αn、βn、γn均满足αn+βn+γn=1。
作为本发明公开的第二方面，提出了一种长循环锂电池，包括上述的电池极片。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
本发明的电池极片，设计不同梯度的面密度，具体为单片正、负极片从靠近极耳侧到远离极耳侧涂布的面密度依次增大，其中从靠近极耳到远离极耳侧涂敷在集流体上敷料中的导电剂含量呈现梯度增大，通过调整电池极片相对极耳不同位置中的导电剂含量，使得电池极片的电子电导率从极耳侧到非极耳侧逐渐变大，可以改善单侧出极耳带来的电流密度分布不均的问题；
本发明的长循环锂电池在使用过程中相对的正负极片CB值相对一致，改善电池充放电过程中电流密度不均带来的嵌锂量不一致导致的析锂问题，有效提升电池的循环寿命和安全性能，使得现有技术中长循环锂电池的长度更长，从而突破“长循环刀片锂电池”的技术壁垒。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例。其中：
图1是现有技术中电池极片嵌锂不均的实物图；
图2是图1电池正极片和电池负极片的厚度变化曲线图；
图3是本发明实施例电池极片的结构示意图；
图中，第一涂布区L1，第二涂布区L2-Ln。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
图3示出了本发明实施例电池极片的结构示意图，包括集流体，所述集流体的敷料中活性物质占比为90%-98%，导电剂占比为0.5%-7%、粘结剂占比为1.5%-3%。
具体地，集流体靠近极耳侧设有第一涂布区，远离极耳侧且与第一涂布区相连的其它区域设为第二涂布区，且第二涂布区中导电剂的含量大于第一涂布区中导电剂的含量。
所述第二涂布区导电剂的增长梯度为βn=K*（ΣLn/L1）+β1，其中，K为添加系数，取值0.0005-0.001，L1为第一涂布区长度距离，ΣLn为第一涂布区长度距离与第二涂布区对应的长度距离之和。
由此，计算电池极片第二涂布区面密度为σn=σ1*α1/αn，其中σ1为第一涂布区的面密度，其中α1为第一涂布区活性物质占比，αn为第二涂布区对应长度距离的活性物质占比；
所述第一涂布区和第二涂布区中粘结剂γn为固定值；且第一涂布区和第二涂布区中αn、βn、γn均满足αn+βn+γn=1。
在第二涂布区可分成若干段，且远离极耳侧的每段区域的导电剂含量呈梯度增长，但每段区域中集流体的敷料αn、βn、γn依然满足αn+βn+γn=1。
第二涂布区中每段的长度距离与第一涂布区的长度距离相等，或第二涂布区中每段的长度距离与第一涂布区的长度距离不等，呈递减的趋势，如第二涂布区的长度范围Ln=a*lnn+b，其中，a=-3.5±0.2，b为第一涂布区的长度，取值范围在50-200mm，n是≥2的整数。
通常，正极片和负极片的极耳长度为H=1/2T+λ，其中T为裸电芯厚度，λ为常数，取值为8-20mm。负极片比正极片长3-5mm，负极片比正极片宽2-4mm。正极活性物质为LiFePO4、NCM、LiCoO2的一种，负极活性物质为石墨、硅的一种。
在实际应用中，正极片或负极片从靠近极耳侧到远离极耳侧涂布的面密度依次增大，即正极片从靠近极耳侧到远离极耳侧涂布的面密度依次增大，负极片面密度不变；或正极片面密度不变，负极片从靠近极耳侧到远离极耳侧涂布的面密度依次增大；当然也可以正极片和负极片同时从靠近极耳侧到远离极耳侧涂布的面密度依次增大。
下面通过具体对比例和实施例对本发明进行进一步的详细说明。
一种电池极片，所述集流体的敷料中活性物质占比为2%，导电剂占比为0.5%，活性物质占比为97.5%；面密度为30mg/cm²。
根据上述含量制备的电池极片与隔膜等组装，以一定电流对电池进行激活后进行电化学性能测试。
实施例1
一种电池极片，第一涂布区的长度L1为50mm，粘结剂γ1为1.5%，导电剂β1为0.5%，则活性物质α1为98%，第一涂布区L1的面密度σ1为20mg/cm²。
第二涂布区的长度L2为48.95mm，粘结剂γ2为1.5%，K取值0.0005，导电剂β2=0.0005*（L1+L2）/L1+0.5%=0.6%，则活性物质α2为97.9%；第二涂布区L2的面密度σ2=σ1*α1/α2=20*98%/97.9%=20.02mg/cm²。
根据上述含量制备的电池极片与隔膜等组装，以一定电流对电池进行激活后进行电化学性能测试。
实施例2
一种电池极片，第一涂布区的长度L1为100mm，粘结剂γ1为2%，导电剂β1为0.5%，则活性物质α1为97.5%，第一涂布区L1的面密度σ1为50mg/cm²。
第二涂布区L2的长度为98.95mm，粘结剂γ2为2%，K取值0.0007，导电剂β2=0.0007*（L1+L2）/L1+0.5%=0.64%，则活性物质α2为97.36%，第二涂布区L2的面密度σ2=σ1*α1/α2=50*97.5%/97.36%=50.07mg/cm²。
第二涂布区的长度L3为98.33mm，粘结剂γ3为2%，导电剂β3=0.0007*（L1+L2+L3）/L1+0.5%=0.71%，则活性物质α3为97.29%；第二涂布区L3的面密度σ3=σ1*α1/α3=50*97.5%/97.29%=50.11mg/cm²。
根据上述含量制备的电池极片与隔膜等组装，以一定电流对电池进行激活后进行电化学性能测试。
实施例3
一种电池极片，第一涂布区的长度L1为150mm，粘结剂γ1为3%，导电剂β1为3%，则活性物质α1为94%，第一涂布区L1的面密度σ1为200mg/cm²。
第二涂布区的长度L2为148.95mm，粘结剂γ2为3%，K取值0.001，导电剂β2=0.001*（L1+L2）/L1+3%=3.2%，则活性物质α2为93.8%，第二涂布区L2的面密度σ2=σ1*α1/α2=200*94%/93.8%=200.43mg/cm²。
第二涂布区的长度L3为148.33mm，粘结剂γ3为3%，导电剂β3=0.001*（L1+L2+L3）/L1+3%=3.3%，则活性物质α3为93.7%，第二涂布区L3的面密度σ3=σ1*α1/α3=200*94%/93.7%=200.64mg/cm²。
根据上述含量制备的电池极片与隔膜等组装，以一定电流对电池进行激活后进行电化学性能测试。
实施例4
一种电池极片，第一涂布区的长度L1为200mm，粘结剂γ1为3%，导电剂β1为7%，则活性物质α1为90%，第一涂布区L1的面密度σ1为400mg/cm²。
第二涂布区的长度L2为198.95mm，粘结剂γ2为3%，K取值0.001，导电剂β2=0.001*（L1+L2）/L1+7%=7.25%，则活性物质α2为89.75%，第二涂布区L2的面密度σ2=σ1*α1/α2=400*90%/89.75%=401.11mg/cm²。
第二涂布区的长度L3为198.33mm，粘结剂γ3为3%，导电剂β3=0.001*（L1+L2+L3）/L1+7%=7.45%，则活性物质α3为89.55%，第二涂布区L3的面密度σ3=σ1*α1/α3=400*90%/89.55%=402.01mg/cm²。
第二涂布区的长度L4为197.89mm，粘结剂γ4为3%，导电剂β3=0.001*（L1+L2+L3+L4）/L1+7%=7.7%，则活性物质α4为89.3%，第二涂布区L4的面密度σ3=σ0*α1/α4=400*90%/89.3%=403.14mg/cm²。
根据上述含量制备的电池极片与隔膜等组装，以一定电流对电池进行激活后进行电化学性能测试。
测试实验结果如表1所示；
表1
| 4000次循环容量保持率 | 70%SOC负极片反弹率COV | 1500周拆解 | 65%SOC负极界面嵌理均匀性 | 70%SOC负极界面嵌理均匀性 | |
| 对比例 | 83.2% | 5% | 局部析锂 | 靠近正极耳侧嵌锂较多 | 靠近正极耳侧嵌锂较多 |
| 实施例1 | 86.9% | 1.5% | 无析锂 | 嵌锂均匀 | 嵌锂均匀 |
| 实施例2 | 86.3% | 1.62% | 无析锂 | 嵌锂均匀 | 嵌锂均匀 |
| 实施例3 | 85.2% | 1.56% | 无析锂 | 嵌锂均匀 | 嵌锂均匀 |
| 实施例4 | 85.7% | 1.71% | 无析锂 | 嵌锂均匀 | 嵌锂均匀 |
如图1和图2所示，对比例可明显看出负极片的嵌锂深度从靠近负极耳侧向非极耳侧越来越大，负极片的的厚度从靠近负极耳侧向非极耳侧也越来越大，正极片的嵌锂深度从靠近正极耳侧向非极耳侧原来越小，正极片的厚度从靠近正极耳侧向非极耳侧也越来越小，65%SOC负极界面嵌理均匀性测试和70%SOC负极界面嵌理均匀性测试均显示靠近正极耳侧嵌锂较多，而实施例1至实施例4，整张电池极片嵌锂均匀，1500周拆解无析锂现象。
极片反弹率COV代表极片脱嵌锂后极片膨胀后极片厚度的一致性，极片反弹率COV越低代表厚度的一致性越好，从实施例1至实施例4可以看出，采用本发明的电池极片，可以使极片的膨胀率保持在一个较低的COV上。同理，极片膨胀的大小和嵌锂的多少呈正相关关系，现将极片反弹率COV保持在一个较低的值，则说明极片的嵌锂均匀度较好。对比例中70%SOC负极片反弹率COV相比较实施例高很多，即说明对比例所采用的极片嵌锂不均。
因此，本发明的电池极片设计不同梯度的面密度，具体为单片正、负极片从靠近极耳侧到远离极耳侧涂布的面密度依次增大，其中从靠近极耳到远离极耳侧涂敷在集流体上敷料中的导电剂含量呈现梯度增大，可以改善单侧出极耳带来的电流密度分布不均的问题。同时有效提升电池的循环寿命和安全性能，使得现有技术中长循环刀片锂电池的长度更长，从而突破“刀片锂电池”的技术壁垒。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限定本发明保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种电池极片，包括集流体，其特征在于，所述集流体的敷料中活性物质占比为90%-98%，导电剂占比为0.5%-7%、粘结剂占比为1.5%-3%；
所述集流体靠近极耳侧设有第一涂布区，远离极耳侧且与第一涂布区相连的其它区域设为第二涂布区，所述第二涂布区中导电剂的含量大于第一涂布区中导电剂的含量，
所述第二涂布区导电剂的含量为βn=K*（ΣLn/L1）+β1，其中K为添加系数，取值0.0005-0.001，L1为第一涂布区的长度距离，ΣLn为第一涂布区与第二涂布区对应长度距离之和，β1为第一涂布区导电剂的含量；
所述电池极片的面密度为σn=σ1*α1/αn，其中σ1为第一涂布区的面密度，其中α1为第一涂布区活性物质占比，αn为第二涂布区对应长度距离的活性物质占比；
所述第一涂布区和第二涂布区中粘结剂γn为固定值；且第一涂布区和第二涂布区中αn、βn、γn均满足αn+βn+γn=1。
2.根据权利要求1所述的电池极片，其特征在于，所述第二涂布区的长度范围Ln=a*lnn+b，其中，a=-3.5±0.2，b为第一涂布区的长度，n是≥2的整数。
3.根据权利要求2所述的电池极片，其特征在于，所述第一涂布区长度的取值范围在50-200mm。
4.根据权利要求2或3所述的电池极片，其特征在于，所述第二涂布区分成若干段，且远离极耳侧的每段区域的导电剂含量呈梯度增长。
5.根据权利要求1所述的电池极片，其特征在于，包括正极片和负极片，所述正极片和负极片的极耳长度为H=1/2T+λ，其中T为裸电芯厚度，λ为常数，取值8-20mm。
6.根据权利要求5所述的电池极片，其特征在于，所述负极片比正极片长3-5mm，负极片比正极片宽2-4mm。
7.根据权利要求5或6所述的电池极片，其特征在于，所述正极片的活性物质为LiFePO4、NCM、LiCoO2的一种，所述负极片的活性物质为石墨、硅的一种。
8.根据权利要求7所述的电池极片，其特征在于，所述导电剂包括碳黑、科琴黑、乙炔黑、碳纤维、碳纳米管、导电石墨、石墨烯中的一种或几种的组合。
9.一种长循环锂电池，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的电池极片。
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