CN116741940B - 负极极片、负极极片的制备方法、电池及用电设备 - Google Patents

负极极片、负极极片的制备方法、电池及用电设备 Download PDF

Info

Publication number
CN116741940B
CN116741940B CN202311023695.0A CN202311023695A CN116741940B CN 116741940 B CN116741940 B CN 116741940B CN 202311023695 A CN202311023695 A CN 202311023695A CN 116741940 B CN116741940 B CN 116741940B
Authority
CN
China
Prior art keywords
negative electrode
silicon
carbon nanotube
electrode plate
active material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202311023695.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116741940A (zh
Inventor
赵奇
高勇
林辉
廉俊杰
韩欣
易丽
王发仁
金嘉成
林维敏
杨从强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu Zenio New Energy Battery Technologies Co Ltd
Original Assignee
Jiangsu Zenergy Battery Technologies Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu Zenergy Battery Technologies Co Ltd filed Critical Jiangsu Zenergy Battery Technologies Co Ltd
Priority to CN202311023695.0A priority Critical patent/CN116741940B/zh
Publication of CN116741940A publication Critical patent/CN116741940A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116741940B publication Critical patent/CN116741940B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/043—Processes of manufacture in general involving compressing or compaction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1395—Processes of manufacture of electrodes based on metals, Si or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/663—Selection of materials containing carbon or carbonaceous materials as conductive part, e.g. graphite, carbon fibres
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/70—Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

本发明涉及负极极片、负极极片的制备方法、电池及用电设备，负极极片包括多层碳纳米管膜和硅类活性物质，硅类活性物质被包裹在多层碳纳米管膜之间，负极集流体包括平直区和弯折区，弯折区的多层碳纳米管膜之间未包覆硅类活性物质，或者位于弯折区的硅类活性物质的粒径小于位于平直区的硅类活性物质的粒径。当弯折区的硅类活性物质粒径小于平直区硅类活性物质粒径时，能够保证整个负极极片厚度的一致性，使得负极极片的表面平整，当制作电芯时，保证正负极片有效贴合，保证离子传输路径一致，提高容量保持率；即使弯折区的多层碳纳米管膜之间未包覆硅类活性物质，也能保证各个负极极片的平直区和对应的正极极片贴合紧密，从而提高容量保持率。

Description

负极极片、负极极片的制备方法、电池及用电设备
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其是涉及一种负极极片、负极极片的制备方法、电池及用电设备。
背景技术
随着锂电行业的蓬勃发展，人们对高比能量密度的锂电池的需求日益增长。锂电池负极材料主要分为碳基材料和非碳基材料。碳基材料包括天然石墨负极、人造石墨负极、中间相碳微球(M厘米B) 、软碳(如焦炭) 负极、硬碳负极、碳纳米管、石墨烯、碳纤维等。非碳基材料主要分为硅基及其复合材料、氮化物负极、锡基材料、钛酸锂、合金材料等。目前，以人造石墨为代表的碳基材料是锂离子电池负极的主要使用材料，石墨类负极材料占据负极材料95%的市场份额。现阶段商业化石墨负极材料已经接近其理论比容量极限（372mAh/g），为进一步提升电池能量密度，寻找更高比容量负极材料成为产业研究重点。硅基负极的原材料主要由硅材料和石墨构成。硅基负极具有3600mAh/g的克容量，远远高于石墨负极。但是硅负极300%的体积膨胀严重限制了硅材料在锂离子电池中的应用。在硅材料的使用中，往往与石墨进行复配，其中硅含量较小，常见的是3-8wt.%，掺杂含量较小，并且在硅负极的使用中会使用粘结剂，降低了电池的能量密度。
为了解决上述问题，授权公告号为CN113066951B的中国发明专利公开了一种柔性自支撑硅/碳纳米管膜复合电极，利用浮动催化化学气相沉积法制备连续碳纳米管膜的技术基础，将改性后的硅活性物质浮于水面上，通过滚轴转动过水收集筒状碳纳米管连续体，利用这种状态下碳管连续体超大的表面积、自身的吸附性以及筒状碳纳米管连续体遇水体积急剧收缩的特性，将浮于水面上的硅活性物质均匀且紧密的包裹于其中，连续收集数小时后，几千层附着了硅的碳管连续体缠绕层叠成具有一定厚度的复合膜，最后辊压得到一种柔性硅-碳纳米管复合电极膜材料。
如图1和图2所示，当整张碳纳米管膜卷绕并压制为负极极片时，由于弯折区01不同层的碳纳米管膜的曲率不同的，最内的碳纳米管膜曲率最大，最外圈的曲率最小，因此，极片的最内圈的周长小，内圈弯折区附着硅类活性物质量小于最外圈弯折区附着的硅类活性物质量，因此在内外圈硅类活性物质粒径一致的情况下，极片弯折区的厚度大于平直区02的厚度。假设极片弯折区的每层的碳纳米管膜所吸附的硅类活性物质粒径一致的话，会导致弯折区的厚度大于平直区，这会带来几个问题：
（1）在压制过程中，弯折区受压更大，会导致弯折区的碳纳米管膜所附着的硅类活性物质掉粉，从而降低电池容量，影响电池性能；
（2）负极极片和正极极片03、隔膜04重叠后卷绕成电芯时，若负极极片的厚度不均匀，会导致电芯的正负极片之间贴合不紧密；通常，若极片贴合不紧密，则会导致离子迁移的路径不同，容易造成析锂；更何况，极片平直区的区域面积远大于弯折区的面积，平直区是参与电化学反应的主要区域，因此，一旦各个负极极片的平直区域和对应的正极极片贴合不紧密，将加剧析锂的问题，降低电池容量，影响电池性能。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于如何提高电池的容量和性能。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种负极极片，包括负极集流体和负极活性物质，所述负极集流体包括多层碳纳米管膜，所述负极活性物质为硅类活性物质，所述硅类活性物质被包裹在所述多层碳纳米管膜之间；
上述负极集流体包括平直区和弯折区，弯折区的多层碳纳米管膜之间未包覆所述硅类活性物质，或者位于弯折区的所述硅类活性物质的粒径小于位于平直区的所述硅类活性物质的粒径。
进一步地，所述负极集流体由连续的碳纳米管膜卷绕形成，或者所述负极集流体由连续的碳纳米管膜折叠形成，或者所述负极集流体由分体的多层碳纳米管膜卷绕或折叠形成。
进一步地，所述硅类活性物质为硅单质或氧化亚硅。
进一步地，所述负极极片中，硅类活性物质的负载质量为负极极片总质量的20-50wt.%。
进一步地，所述硅类活性物质的粒径在5-100nm之间。
本发明还提供所述负极极片的制备方法，包括如下步骤：
S1:获得表面附着有硅类活性物质且连续的碳纳米管膜，得到半成品A；
S2:将所述半成品A处理为多层结构，得到半成品B；
S3:将所述半成品B压成片状，得到负极极片。
进一步地，在步骤S2中，卷绕半成品A，得到半成品B；或者
折叠半成品A，得到半成品B；或者
将半成品A裁切为多段，多段的半成品A层叠后再卷绕，得到半成品B。
进一步地，在步骤S1中，获得硅类活性物质和连续的碳纳米管膜，将所述硅类活性物质喷附于所述碳纳米管膜的表面。
本发明还提供一种电池，包括所述的负极极片，或由所述的负极极片的制备方法制作的负极极片。
本发明还提供一种用电设备，采用所述的电池。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1）本发明所述的负极极片，具有如下几方面的优势：①当弯折区的硅类活性物质粒径小于平直区硅类活性物质粒径时，能够保证整个负极极片厚度的一致性，使得负极极片的表面平整，当制作电芯时，保证正负极片有效贴合，保证离子传输路径一致，提高容量保持率；即使弯折区的多层碳纳米管膜之间未包覆硅类活性物质，也能保证各个负极极片的平直区和对应的正极极片贴合紧密，从而提高容量保持率；②碳纳米管膜具有优异的导电性能，将硅类活性物质物理附着于碳纳米管膜表面，不仅取消了现有的金属箔材集流体，并且无需使用粘接剂，能够提高电池的能量密度；③碳纳米管膜将硅类活性物质包裹起来，可以缓解硅的体积膨胀；④碳纳米管膜是一种三维材料，因此包硅更加紧密，能够有效缓解硅的体积膨胀带来的机械应力；⑤碳纳米管膜相比于碳纳米管纤维与其他材料，具有更高的比表面积，为60-1200m2/g，易吸附硅类活性物质；⑥碳纳米管具有优越的导电性，可以提升电池的倍率性能；
2）本发明所述的负极极片，当多层碳纳米管膜为由连续的碳纳米管膜卷绕形成的一体结构时，由于连续的碳纳米管膜逐层卷绕，缠绕紧密且不易松开，可以将硅类活性物质夹紧在碳纳米管膜的层间，碳纳米管膜对硅类活性物质的包裹力更强，可以更好的缓解硅的体积膨胀；
3）本发明所述的负极极片的制备方法，连续的碳纳米管膜卷绕或折叠后直接压制成型，制作过程更加简化；
4）本发明所述的负极极片的制备方法，一方面，将硅类活性物质喷在连续的碳纳米管膜上，实现每层碳纳米管膜中都有硅类活性物质，进而实现均匀包覆；另一方面，通过控制喷粉装置，可以实现硅碳纳米管膜中硅含量（硅的质量除以硅+膜的总质量）可控，实现较高硅含量（20-50wt.%）控制。
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。
图1为现有技术中负极极片的弯折区的示意图；
图2为现有技术中负极极片、隔膜以及正极极片的贴合示意图；
图3为本发明一种结构的负极极片的横截面示意图；
图4为本发明另一种结构的负极极片的横截面示意图；
图5为本发明中负极极片的制备装置的组成示意图；
图6为本发明实施例1中负极极片与现有技术中负极极片的放电倍率对比图。
说明书附图标记说明:01、弯折区；02、平直区；03、正极极片；04、隔膜；
11、碳纳米管膜；12、硅类活性物质；21、气相沉积炉；22、注射装置；23、收集箱；24、卷筒装置；25、喷粉装置；26、法兰盘。
具体实施方式
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。
本发明提供一种负极极片，包括负极集流体和负极活性物质，负极集流体包括多层碳纳米管膜，负极活性物质为硅类活性物质，上述硅类活性物质被包裹在上述多层碳纳米管膜之间；
上述负极集流体包括平直区和弯折区，弯折区的多层碳纳米管膜之间未包覆上述硅类活性物质，或者位于弯折区的上述硅类活性物质的粒径小于位于平直区的上述硅类活性物质的粒径。
在一些优选的实施例中，如图3所示，上述负极集流体由连续的碳纳米管膜11卷绕形成，硅类活性物质12被包裹在多层碳纳米管膜之间。连续的碳纳米管膜为带状碳纳米管膜，相当于多层碳纳米管膜连接为一个整体。如图3所示，由于连续的碳纳米管膜逐层卷绕，缠绕紧密且不易松开，可以将硅类活性物质夹紧在碳纳米管膜的层间，碳纳米管膜对硅类活性物质的包裹力更强，可以更好的缓解硅的体积膨胀；且连续的碳纳米管膜卷绕后直接压制成型，制作过程更加简化。
在一些优选的实施例中，如图4所示，上述负极集流体由连续的碳纳米管膜11折叠形成，硅类活性物质12被包裹在多层碳纳米管膜之间。
在一些优选的实施例中，所述负极集流体由分体的多层碳纳米管膜卷绕或折叠形成。
上文中的碳纳米管膜11作为硅类活性物质的载体并且用于汇集电流。碳纳米管是一种由碳原子组成的纳米管，具有高强度、高导电性、高导热性和化学稳定性等特点。碳纳米管膜是一种由碳纳米管组成的薄膜，具有许多独特的性质和应用。碳纳米管膜的制备方法有多种，包括化学气相沉积、溶液旋涂、电化学沉积等。其中，化学气相沉积是一种常用的制备方法，可以制备出高质量的碳纳米管膜。在制备过程中，需要控制反应条件，如温度、气体流量、反应时间等，以获得所需的碳纳米管膜。
上文中的硅类活性物质12散布在上述多层碳纳米管膜11之间，优选地，任意相邻两层碳纳米管膜11之间均匀散布有上述硅类活性物质12。
上述负极极片具有如下的优势：①碳纳米管膜具有优异的导电性能，将硅类活性物质物理附着于碳纳米管膜表面，不仅取消了现有的金属箔材集流体，并且无需使用粘接剂，能够提高电池的能量密度；②碳纳米管膜将硅类活性物质包裹起来，可以缓解硅的体积膨胀；③碳纳米管膜是一种三维材料，因此包硅更加紧密，能够有效缓解硅的体积膨胀带来的机械应力；④碳纳米管膜相比于碳纳米管纤维与其他材料，具有更高的比表面积，为60-1200m2/g，易吸附硅类活性物质；⑤碳纳米管具有优越的导电性，可以提升锂离子电池的倍率性能。
在一些优选的实施例中，上述硅类活性物质12为硅单质或氧化亚硅。
在一些优选的实施例中，上述负极极片中，硅类活性物质12的负载质量为负极极片总质量的20-50wt.%。由于碳纳米管膜具有较大的比表面积，易吸附硅类活性物质，因此可以负载较多的硅类活性物质，负极极片中的硅类活性物质掺杂量大，提高了电池的能量密度。
在一些优选的实施例中，上述硅类活性物质12的粒径在5-100nm之间。上述硅类活性物质为纳米硅，纳米硅指的是大小为纳米级别的硅颗粒。纳米硅类活性物质具有纯度高，粒径小，分布均匀等特点。具有表面积大，高表面活性，松装密度低的特点。具体的，上述硅类活性物质可以选择粒径为5 nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm的纳米硅。
在一些优选的实施例中，上述硅类活性物质12附着在卷绕起来的碳纳米管膜每一层的内侧表面上。碳纳米管膜刚刚制备出来时能够使硅类活性物质牢固地附着于其表面上，通过向内卷的碳纳米管膜表面喷硅类活性物质，使得硅类活性物质被紧紧的包裹起来。
在一些优选的实施例中，上述负极极片的制备方法包括如下步骤：
S1:获得表面附着有硅类活性物质且连续的碳纳米管膜，得到半成品A；
S2:将上述半成品A处理为多层结构，得到半成品B；
S3:将上述半成品B压成片状，得到负极极片。
具体的，在制备时，通过向连续的碳纳米管膜对应平直区的部分喷涂较大粒径的硅类活性物质，向连续的碳纳米管膜对应弯折区的部分喷涂粒径较小的硅类活性物质，从而使得平直区的多层碳纳米管膜之间包覆较大粒径的硅类活性物质，而弯折区的多层碳纳米管膜之间包覆较小粒径的硅类活性物质。通过向连续的碳纳米管膜对应平直区的部分喷涂硅类活性物质，不向连续的碳纳米管膜对应弯折区的部分喷涂硅类活性物质，从而使得平直区的多层碳纳米管膜之间包覆上述硅类活性物质，而弯折区的多层碳纳米管膜之间未包覆上述硅类活性物质。
在一些优选的实施例中，在步骤S2中，卷绕半成品A，得到半成品B。
在一些优选的实施例中，在步骤S2中，折叠半成品A，得到半成品B。具体的，将卷绕收集起来的所述连续的碳纳米管膜依次进行放卷、折叠后压制成所述负极极片。对碳纳米管膜进行放卷就是将卷绕起来的上述连续的碳纳米管膜旋转放出呈平展状态，对碳纳米管膜进行折叠就是将碳纳米管膜折叠为多层结构，折叠方式有多种，只要能够将硅类活性物质包裹起来就可以。另外，也可以在碳纳米管膜制备后直接将其折叠压制，不需要提前将其卷绕收集后再放卷。
在一些优选的实施例中，在步骤S2中，将半成品A裁切为多段，多段的半成品A层叠后再卷绕，得到半成品B。具体的，将卷绕收集起来的上述连续的碳纳米管膜依次进行放卷、裁切、叠层、叠层卷绕、压制后制成所述负极极片。对碳纳米管膜进行放卷就是将卷绕起来的上述连续的碳纳米管膜旋转放出呈平展状态，对碳纳米管膜进行裁切就是将上述连续的碳纳米管膜裁切为多张碳纳米管膜，对碳纳米管膜进行叠层就是将多张碳纳米管膜层层叠加在一起，对碳纳米管膜进行叠层卷绕就是将层叠在一起的多张碳纳米管膜作为一个整体进行卷绕，碳纳米管膜进行压制就是沿着碳纳米管膜的厚度方向将碳纳米管膜压成片状。另外，也可以在碳纳米管膜制备后直接将其裁切为多段，不需要提前将其卷绕收集后再放卷。
在一些优选的实施例中，在步骤S1中，获得硅类活性物质和连续的碳纳米管膜，将上述硅类活性物质喷附于上述碳纳米管膜的表面。
具体的，一边制备连续的碳纳米管膜，一边将硅类活性物质喷在制备好的碳纳米管膜上，一边将负载有硅类活性物质的连续的碳纳米管膜卷绕起来。将卷绕起来的上述连续的碳纳米管膜直接压制成上述负极极片。对卷绕起来的碳纳米管膜进行压制就是沿着卷绕起来的碳纳米管膜的径向将碳纳米管膜压扁为片状。
上述负极极片的制备方法中，一方面，边输出连续的碳纳米管膜、边喷硅类活性物质，边将连续的碳纳米管膜卷绕起来，实现每层碳纳米管膜中都有硅类活性物质，进而实现均匀包覆；另一方面，通过控制喷粉装置，可以实现硅碳纳米管膜中硅含量可控，实现较高硅含量控制。由于连续的碳纳米管膜逐层卷绕，缠绕紧密且不易松开，可以将硅类活性物质夹紧在碳纳米管膜的层间，碳纳米管膜对硅类活性物质的包裹力更强，可以更好的缓解硅的体积膨胀；且碳纳米管膜卷绕后直接压制成型，制作过程更加简化。
优选地，在制备碳纳米管膜时，首先，将碳源、催化剂以及促进剂复配为原料溶液，然后，通过注射装置将原料溶液持续注入气相沉积炉中，碳源在气相沉积炉中气化并被还原在催化剂颗粒上形成连续的碳纳米管膜，连续的碳纳米管膜在载气的气流作用下流出气相沉积炉，通过喷粉装置将硅类活性物质喷在制备好的连续的碳纳米管膜，通过卷筒装置将负载有硅类活性物质的连续的碳纳米管膜卷绕起来。通过注射装置（注射泵）将原料溶液连续注射至气相沉积炉中，原料溶液在气相沉积炉入口处气化为气凝胶，碳源在气相沉积炉入口处气化并被还原在催化剂颗粒上形成碳纳米管膜，碳纳米管膜通过载气在气流的作用下流到气相沉积炉出口，将气相沉积炉出口的连续的碳纳米管膜牵引至旋转的卷筒上并通过喷粉装置将硅类活性物质连续喷到气相沉积炉与卷筒之间的碳纳米管膜上，得到卷状碳纳米管膜；本发明通过气相沉积生长制备连续碳纳米管膜包硅材料，通过手工牵引，连续的碳纳米管膜不断堆积卷绕，从而制备出不同厚度的负极极片，碳纳米管膜具有较大的表面积，有利于硅类活性物质的附着，喷粉装置连续喷粉落在碳纳米管膜上，在单层连续的碳纳米管膜上附着硅类活性物质，具有更高的硅含量，并且硅在碳管膜中的分布较为均匀，碳纳米管膜相对于其他材料具有较高的比表面积，碳纳米管膜相比于碳纳米管纤维也具有较高的比表面积，因此碳纳米管膜包覆硅也较为紧密，有利于电极材料性能的提高。其中硅类活性物质的负载质量为复合电极总质量的 20-50wt.%。
优选地，碳源、催化剂以及促进剂复配体积比例为90-95:4-8:1-28，碳源为甲醇、乙醇、丙酮中的一种或多种混合体，催化剂为二茂铁或二茂钴，促进剂为噻吩。上述载气为氢气、氮气以及氩气的一种或混合。
优选地，原料溶液的注速为4-6ml/h，气相沉积炉内的温度为800-1200℃。具体的注速可以设置为4ml/h或5ml/h或6ml/h，上述气相沉积炉内具体温度可以设置为800℃或900℃或1000℃或1100℃或1200℃。
优选地，上述负极极片的制备装置（参见图5），包括：
气相沉积炉21，上述气相沉积炉21用于接收原料溶液后连续输出连续的碳纳米管膜11；
注射装置22，上述注射装置22设于上述气相沉积炉21的入口处，上述注射装置22用于将原料溶液连续注射到上述气相沉积炉21中；
收集箱23，上述收集箱23设于上述气相沉积炉21的出口处；
卷筒装置24，上述卷筒装置24设于上述收集箱23内，上述卷筒装置24用于接收和卷绕上述气相沉积炉21送出的连续的碳纳米管膜；
喷粉装置25，上述喷粉装置25设于上述收集箱23内，上述喷粉装置25用于将硅类活性物质连续喷到上述气相沉积炉21和上述卷筒装置24之间的连续的碳纳米管膜上。
化学气相沉积(CVD)是指化学气体或蒸汽在基质表面反应合成涂层或纳米材料的方法，是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术，化学气相沉积法是传统的制备薄膜的技术，其原理是利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应，使得气态前驱体中的某些成分分解，而在基体上形成薄膜。化学气相沉积包括常压化学气相沉积、等离子体辅助化学沉积、激光辅助化学沉积、金属有机化合物沉积等。具体的，上述收集箱为带手套的密封箱，通过法兰盘26连接上述气相沉积炉，上述卷筒装置24包括卷筒和带动卷筒旋转的电机，上述喷粉装置焊接连接在收集箱内，上述卷筒装置24和上述喷粉装置25焊接连接在收集箱23上。
具体的，上述气相沉积炉21为横式气相沉积炉，上述喷粉装置25设于连续的碳纳米管膜上方的80-120厘米处，比如90厘米、100厘米或110厘米。
本发明还提供了一种电池，该电池包括电芯，该电芯由正极极片、负极极片和隔膜制成，隔膜设置于正极极片和负极极片之间以避免接触短路，负极极片采用上述的负极极片。本发明的负极极片可以用于卷绕电芯和叠片电芯，可以用于方形电池、圆形电池和软包电池。本发明的主要设计要点在于负极极片的结构改进，对于电池的其他结构，例如电池的电连接部分、机械结构部分就不再一一赘述。
本发明还提供了一种用电设备，用电设备可以是汽车、手机、便携式设备、笔记本电脑、轮船、航天器、电动玩具和电动工具等等。汽车可以是燃油汽车、燃气汽车或新能源汽车，新能源汽车可以是纯电动汽车、混合动力汽车或增程式汽车等；航天器包括飞机、火箭、航天飞机和宇宙飞船等等；电动玩具包括固定式或移动式的电动玩具，例如，游戏机、电动汽车玩具、电动轮船玩具和电动飞机玩具等等；电动工具包括金属切削电动工具、研磨电动工具、装配电动工具和铁道用电动工具，例如，电钻、电动砂轮机、电动扳手、电动螺丝刀、电锤、冲击电钻、混凝土振动器和电刨等等。本申请实施例对上述用电设备不做特殊限制。
实施例1
本实施例采用上述的制备方法和制备装置制备上述负极极片，并制备正极极片、隔膜、电解液后组装电池。
本实施例中，弯折区的硅类活性物质的D50粒径为65nm，平直区的硅类活性物质的D50粒径为80nm。最终，弯折区的厚度为109μm，平直区的厚度为100μm。
具体的制备过程如下：
（1）负极极片的制备：将甲醇、二茂铁和噻吩以90: 8: 2的比例配制成原料溶液，将该原料溶液以5ml/h的注速度注入气相沉积炉中，气相沉积炉炉温900℃，载气采用氢气和氩气的混合气（流速比为7:3），生成的连续的碳纳米管膜在载气的作用下流出气相沉积炉，一边在连续的碳纳米管膜上间隔喷附粒径80nm和65nm的硅，一边使用卷筒收集连续的喷附有硅的碳纳米管膜，牵引机(电机）的牵引速度为80r/min，卷筒收集时间为1小时，然后将碳纳米管膜从卷筒下取出，并进行辊压，形成负极极片，该负极极片平直区所附着的硅粒径为80nm，弯折区的硅粒径为65nm，测得负极极片的平直区厚度为100um，弯折区的厚度为109um。
（2）正极极片的制备，在铝箔上涂覆活性物质层，铝箔厚度12um，活性物质层涂覆厚度为130um，该活性物质层包括活性材料：LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、导电剂：SP(导电炭黑）、粘接剂：pvdf（聚偏氟乙烯）、溶剂：nmp（N-甲基吡咯烷酮）；溶质重量比例：98:1:1;溶质与溶剂的比列为76：24。
（3）隔膜的制备，选用9um厚度聚乙烯隔膜，隔膜厂家为星源材质。
（4）电解液的制备：将碳酸乙烯酯（EC）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸二乙酯（DEC)按照体积比1:1:1进行混合，接着将充分干燥的锂盐LiPF6按照1mol/L的比例溶解于混合有机溶剂中，配置成电解液。
（5）电池的组装：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。将裸电芯置于电芯壳体中，将上述制备好的电解液注入到电芯壳体中，经过真空封装、静置、化成、整形等工序，获得电池。
如图6所示，为本实施例1制备的负极极片（无集流体硅基极片）与现有技术中的负极极片（碳纳米管/硅搅拌涂布极片）同一硅负载量的放电倍率图。
实施例2
其余与实施例1相同，不同之处在于，弯折区的硅类活性物质的D50粒径为42nm，平直区的硅类活性物质的D50粒径为80nm。负极极片制备时，在连续的碳纳米管膜上间隔喷附粒径80nm和42nm的硅。形成的负极极片平直区所附着的硅粒径为80nm，弯折区的硅粒径为42nm，测得负极极片的平直区厚度为100um，弯折区的厚度为109um。
由于弯折区的硅类活性物质粒径较小，使得负极极片不同位置的厚度更加均匀，不会出现边缘尖突的现象。
实施例3
其余与实施例1相同，不同之处在于，折区的硅类活性物质的D50粒径为18nm，平直区的硅类活性物质的D50粒径为80nm。负极极片制备时，在连续的碳纳米管膜上间隔喷附粒径80nm和18nm的硅。形成的负极极片平直区所附着的硅粒径为80nm，弯折区的硅粒径为18nm，测得负极极片的平直区厚度为100um，弯折区的厚度为98um。
实施例4
其余与实施例1相同，不同之处在于，弯折区的多层碳纳米管膜之间未包覆上述硅类活性物质。负极极片制备时，在连续的碳纳米管膜上间歇喷附粒径80nm的硅。形成的负极极片平直区所附着的硅粒径为80nm，弯折区没有硅活性物质，测得负极极片的平直区厚度为100um，弯折区的厚度为96um。
对比例：
其余与实施例一相同，不同之处在于，本实施例中，弯折区和平直区的硅类活性物质的粒径相同，硅类活性物质的D50粒径均为80nm。负极极片制备时，在连续的碳纳米管膜上持续喷附粒径80nm的硅。形成的负极极片平直区所附着的硅粒径为80nm，弯折区所附着的硅粒径为80nm，测得负极极片的平直区厚度为100um，弯折区的厚度为112um。
测试实施例1、实施例2、实施例3、实施例4以及对比例中所得电池的循环性能，测试方法为：将实施例1、实施例2、实施例3、实施例4以及对比例中制备得到的电池以1C满充、以1C放电，循环圈数200圈，然后记录容量保持率。其结果下表所示。
位于弯折区的硅类活性物质的粒径小于位于平直区的硅类活性物质的粒径时，能够提高负极极片的厚度均一性，即表面平整度，当后续制备电芯时，能够减小电芯正负极片之间的间隙，从而保证正负极片有效贴合，保证离子传输路径一致，提高容量保持率；即使当弯折区处的各层碳纳米管膜之间不吸附硅，也能保证各个负极极片的平直区域和对应的正极极片贴合紧密，从而提高容量保持率。
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 (10)

1.一种负极极片，包括负极集流体和负极活性物质，其特征在于，所述负极极片由碳纳米管膜卷绕或折叠后压制成型；所述负极集流体包括多层碳纳米管膜，所述负极活性物质为硅类活性物质，所述硅类活性物质被包裹在所述多层碳纳米管膜之间；
所述负极集流体包括平直区和弯折区，弯折区的多层碳纳米管膜之间未包覆所述硅类活性物质，或者位于弯折区的所述硅类活性物质的粒径小于位于平直区的所述硅类活性物质的粒径。
2.根据权利要求1所述的负极极片，其特征在于，所述负极集流体由连续的碳纳米管膜卷绕形成，或者所述负极集流体由连续的碳纳米管膜折叠形成，或者所述负极集流体由分体的多层碳纳米管膜卷绕或折叠形成。
3.根据权利要求1所述的负极极片，其特征在于，所述硅类活性物质为硅单质或氧化亚硅。
4.根据权利要求1所述的负极极片，其特征在于，所述负极极片中，硅类活性物质的负载质量为负极极片总质量的20-50wt.%。
5.根据权利要求1所述的负极极片，其特征在于，所述硅类活性物质的粒径在5-100nm之间。
6.如权利要求1所述的负极极片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:获得表面附着有硅类活性物质且连续的碳纳米管膜，得到半成品A；
S2:将所述半成品A处理为多层结构，得到半成品B；
S3:将所述半成品B压成片状，得到负极极片。
7.根据权利要求6所述的负极极片的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，卷绕半成品A，得到半成品B；或者
折叠半成品A，得到半成品B；或者
将半成品A裁切为多段，多段的半成品A层叠后再卷绕，得到半成品B。
8.根据权利要求6所述的负极极片的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，获得硅类活性物质和连续的碳纳米管膜，将所述硅类活性物质喷附于所述碳纳米管膜的表面。
9.一种电池，其特征在于，包括如权利要求1至5任一所述的负极极片，或由如权利要求6至8任一所述的负极极片的制备方法制作的负极极片。
10.一种用电设备，其特征在于，采用如权利要求9所述的电池。
CN202311023695.0A 2023-08-15 2023-08-15 负极极片、负极极片的制备方法、电池及用电设备 Active CN116741940B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311023695.0A CN116741940B (zh) 2023-08-15 2023-08-15 负极极片、负极极片的制备方法、电池及用电设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311023695.0A CN116741940B (zh) 2023-08-15 2023-08-15 负极极片、负极极片的制备方法、电池及用电设备

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116741940A CN116741940A (zh) 2023-09-12
CN116741940B true CN116741940B (zh) 2023-10-20

Family

ID=87915498

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311023695.0A Active CN116741940B (zh) 2023-08-15 2023-08-15 负极极片、负极极片的制备方法、电池及用电设备

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116741940B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111564620A (zh) * 2020-05-23 2020-08-21 江西理工大学 一种利用碳纳米管连续体快速制备柔性电池的方法
CN212392291U (zh) * 2020-06-23 2021-01-22 东莞塔菲尔新能源科技有限公司 一种电芯结构及锂电池
CN113066951A (zh) * 2021-03-12 2021-07-02 常州大学 一种柔性自支撑硅/碳纳米管膜复合电极的制备方法及应用
CN216872019U (zh) * 2022-01-18 2022-07-01 宁德时代新能源科技股份有限公司 正极片、卷绕式电芯、电池单体、电池及用电装置
CN116344741A (zh) * 2023-05-26 2023-06-27 深圳市德兰明海新能源股份有限公司 正极极片、二次电池以及用电装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111564620A (zh) * 2020-05-23 2020-08-21 江西理工大学 一种利用碳纳米管连续体快速制备柔性电池的方法
CN212392291U (zh) * 2020-06-23 2021-01-22 东莞塔菲尔新能源科技有限公司 一种电芯结构及锂电池
CN113066951A (zh) * 2021-03-12 2021-07-02 常州大学 一种柔性自支撑硅/碳纳米管膜复合电极的制备方法及应用
CN216872019U (zh) * 2022-01-18 2022-07-01 宁德时代新能源科技股份有限公司 正极片、卷绕式电芯、电池单体、电池及用电装置
CN116344741A (zh) * 2023-05-26 2023-06-27 深圳市德兰明海新能源股份有限公司 正极极片、二次电池以及用电装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN116741940A (zh) 2023-09-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101708363B1 (ko) 음극 활물질, 및 이를 채용한 음극과 리튬 전지
JP7483297B2 (ja) 多孔性シリコン含有複合体、それを利用した炭素複合体、それを含んだ、電極、リチウム電池及び電子素子
US9882209B2 (en) Negative active material for lithium secondary battery, method for preparing the same, negative electrode comprising the same, and lithium secondary battery comprising same
US8911905B2 (en) Anode of lithium battery
EP3518328B1 (en) Silicon-containing structure, method of preparing the same, carbon composite using the same, and electrode, lithium battery, and device each including the same
US8790826B2 (en) Cathode of lithium battery and method for fabricating the same
JP6207143B2 (ja) 負極活物質及び該物質を採用したリチウム電池
KR101785268B1 (ko) 음극 활물질, 이를 포함하는 리튬 전지 및 상기 음극 활물질의 제조방법
KR102510890B1 (ko) 복합 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
JP6433442B2 (ja) 非水電解質二次電池用負極活物質、非水電解質二次電池用負極、及び非水電解質二次電池、並びに非水電解質二次電池用負極活物質の製造方法
KR102131262B1 (ko) 음극활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 음극을 구비한 리튬 이차전지
CN114051663A (zh) 负极材料及其制备方法、电化学装置及电子装置
KR102609866B1 (ko) 실리콘 함유 구조체, 그 제조방법, 이를 이용한 탄소 복합체, 이를 포함한 전극, 리튬 전지, 및 소자
US20160028069A1 (en) Cathode of lithium-ion battery
CN114335533A (zh) 一种负极材料及包括该负极材料的电池
KR20200080490A (ko) 음극활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 음극을 구비한 리튬 이차전지
CN116741940B (zh) 负极极片、负极极片的制备方法、电池及用电设备
JP7368616B2 (ja) リチウム－硫黄電池用負極及びこれを含むリチウム－硫黄電池
KR102459619B1 (ko) 복합 음극 활물질, 이를 포함하는 리튬 전지, 및 상기 복합 음극 활물질의 제조방법
JP2023536417A (ja) 多孔性複合体、それを含む負極及びリチウム電池、並びにその製造方法
KR102159693B1 (ko) 복합 음극활물질, 이의 제조 방법, 및 이를 포함한 음극을 구비한 리튬 이차 전지
KR102634269B1 (ko) 리튬-황 전지용 분리막 및 이를 포함하는 리튬-황 전지
US12095088B2 (en) Prepatation method and prepatation device of lithium-ion battery electrode
CN117321788A (zh) 正极活性材料层用组合物和锂二次电池
CN117795723A (zh) 锂二次电池

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CP03 Change of name, title or address
CP03 Change of name, title or address

Address after: No. 68, Xin'anjiang Road, Southeast Street, Changshu City, Suzhou City, Jiangsu Province, 215000

Patentee after: Jiangsu Zhengli New Energy Battery Technology Co.,Ltd.

Country or region after: China

Address before: No. 68, Xin'anjiang Road, Southeast Street, Changshu City, Suzhou City, Jiangsu Province, 215000

Patentee before: Jiangsu Zenergy Battery Technologies Co.,ltd

Country or region before: China