CN117751465A - 电极组件及其制备方法、电化学装置 - Google Patents

电极组件及其制备方法、电化学装置 Download PDF

Info

Publication number
CN117751465A
CN117751465A CN202280053098.XA CN202280053098A CN117751465A CN 117751465 A CN117751465 A CN 117751465A CN 202280053098 A CN202280053098 A CN 202280053098A CN 117751465 A CN117751465 A CN 117751465A
Authority
CN
China
Prior art keywords
dielectric
negative electrode
dielectric layer
negative
electrode assembly
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.)
Pending
Application number
CN202280053098.XA
Other languages
English (en)
Inventor
关文浩
陈茂华
谢远森
鲁宇浩
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.)
Ningde Amperex Technology Ltd
Original Assignee
Ningde Amperex Technology 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 Ningde Amperex Technology Ltd filed Critical Ningde Amperex Technology Ltd
Publication of CN117751465A publication Critical patent/CN117751465A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • 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
    • 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

Landscapes

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

Abstract

本申请公开了一种电极组件及其制备方法、电化学装置。电极组件包括正极片、负极片、隔膜和负极介电层，隔膜设于正极片和负极片之间，负极介电层设置于负极片上，负极介电层包括介电材料，介电材料在25℃下的居里‑外斯常数范围为10K至10^6K，此范围内负极介电层内的介电材料为无序‑有序型，负极介电层内能够形成内建电场。具有10K至10^6K居里‑外斯常数范围的负极介电层在电化学装置生命周期内更容易保持稳定，对负极片电位的提升也更有效，能够削弱局部出现的大电流，提前均匀化负极片表面电流密度，显著改善电化学装置负极片金属离子析出问题。

Description

电极组件及其制备方法、电化学装置 技术领域
本申请涉及电化学技术领域，尤其涉及一种电极组件及其制备方法、电化学装置。
背景技术
电化学装置例如锂离子电池具有比能量大、工作电压高、自放电率低、体积小、重量轻等优势，在电子领域具有广泛的应用。随着电动汽车和可移动电子设备的高速发展，人们对电池的能量密度、安全性、循环性能等相关需求越来越高。
其中，电化学装置的快充性能越来越受用户欢迎，电化学装置的负极片作为提升快充性能的主要技术点之一，在电化学装置的充放电倍率性能方面发挥着重要的作用。以锂离子电池为例，在快速充电过程中，大量锂离子从正极片快速脱出，经过电解液传质通过隔膜，并嵌入负极片的材料中，但当电化学装置设计存在缺陷、电化学装置结构变化等异常情况发生时，来自正极片的锂离子可能无法快速嵌入负极片的材料中，锂离子在负极片表面析出，导致严重的容量损失，甚至造成短路的风险。
发明内容
本申请提供一种电极组件及其制备方法、电化学装置，能够解决电化学装置的析金属阳离子的问题。
第一方面，本申请提供一种电极组件，包括正极片、负极片、隔膜和负极介电层；
所述隔膜设于所述正极片和所述负极片之间；
所述负极介电层设置于所述负极片上，所述负极介电层包括介电材料，所述介电材料在25℃下的居里-外斯常数范围为10K至10^ 6K，此范围内负极介电层内的介电材料为无序-有序型，负极介电层内可在电场中经极化后形成内建电场。当负极介电层设于隔膜或负极片表面时，负极片表面与负极介电层正电荷侧接触，能将负极片表面电位提高至金属阳离子形核过电位以上，进而改善负极片金属阳离子析出问题。
在一些示例性的实施例中，所述介电材料在25℃下的矫顽场强度的取值范围为：0KV/mm＜Ec≤100KV/mm。
在一些示例性的实施例中，所述介电材料包括介电陶瓷材料、介电无机化合物材料或介电聚合物材料中的至少一种。
在一些示例性的实施例中，所述介电陶瓷材料包括具有介电性质的单元系介电陶瓷、二元系介电陶瓷、三元系介电陶瓷中的至少一种；所述单元系介电陶瓷包括：钛酸钡、钛酸铅、铌酸锂、钽酸锂中的至少一种；所述二元系介电陶瓷包括：锆钛酸铅(PbZr xTi 1-xO 3，其中0＜x＜1)；所述三元系介电陶瓷包括：锆钛酸铅(PbZr xTi 1-xO 3，其中0＜x＜1)-铌镁酸铅(PbMg xNb 1-xO 3，其中0＜x＜1)系陶瓷、锆钛酸铅(PbMn xSb 1-xO 3，其中0＜x＜1)-铌锌酸铅(PbZn xNb 1-xO 3，其中0＜x＜1)系陶瓷、锆钛酸铅(PbMn xSb 1-xO 3，其中0＜x＜1)-锰锑酸铅(PbMn xSb 1-xO 3，其中0＜x＜1)系陶瓷或者式Ⅰ所示陶瓷物质中的至少一种；
Pb 1-xM x(Zr yTi 1-y) (1-x/4)O 3 式Ⅰ
式Ⅰ中，M选自稀土元素中的任一种，0＜x＜1,0＜y＜1；
所述介电无机化合物材料包括具有介电性质的金属氧化物、具有介电性质的氮化物、具有介电性质的碳化物、具有介电性质的金属间化合物、具有介电性质的盐类中的至少一种；
所述介电聚合物材料包括具有介电性质的聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯/聚三氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯/聚四氟乙烯共聚物、奇数尼龙系介电聚合物、非晶态介电聚合物中的至少一种；非晶态介电聚合物包括：亚乙烯基二氰/醋酸乙烯共聚物、亚乙烯基二氰/苯甲酸乙烯共聚物、亚乙烯基二氰/丙酸乙烯共聚物、亚乙烯基二氰/新戊酸乙烯共聚物、亚乙烯基二氰/甲基丙烯酸甲酯共聚物、亚乙烯基二氰/异丁烯共聚物中的至少一种。
在一些示例性的实施例中，所述介电材料在25℃下的居里-外斯常数范围为10^ 4K至10^ 6K。
在一些示例性的实施例中，所述负极介电层的厚度范围为0.1μm至5μm。
在一些示例性的实施例中，所述负极介电层还包括有机介质，所述介电材料与有机介质的重量比为0.05～0.5：1；优选地，所述有机介质包括N-甲基吡咯烷酮、丙二醇、丙三醇或甘二醇中的至少一种。
第二方面，本申请还提供一种电极组件的制备方法，包括：
将介电材料先涂覆在隔膜和/或负极片的表面，然后再进行极化处理，即得到负极介电层；或，
将介电材料先进行极化处理，然后将经过极化处理的介电材料贴附在隔膜和/或负极片的表面，即得到负极介电层。
在一些示例性的实施例中，将所述介电材料进行极化处理的方法包括：将所述介电材料置于平行电场中进行极化处理，所述平行电场的场强为所述介电材料在25℃下的矫顽场强度的0.1倍至6倍。
第三方面，本申请还提供一种电化学装置，包括如上所述的电极组件以及包括采用如上所述的制备方法得到的电极组件。
基于本申请实施例的电极组件及其制备方法、电化学装置，通过在所述负极片上设置负极介电层，负极介电层包括介电材料，介电材料在25℃下的居里-外斯常数范围为10K至10^ 6K，此范围内负极介电层内的介电材料为无序-有序型，负极介电层内能够形成内建电场。具有10K至10^ 6K居里-外斯常数范围的负极介电层在电化学装置生命周期内更容易保持稳定，对负极片电位的提升也更有效，能够削弱局部出现的大电流，提前均匀化负极片表面电流密度，显著改善电化学装置中负极片金属离子析出问题。
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，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一种实施的电极组件的正极片与负极片层叠设置的剖视图；
图2为本申请一种实施的电化学装置的局部剖视图；
图3为本申请一种实施的介电层设于隔膜表面的剖视图；
图4为本申请一种实施的介电层设于隔膜表面和负极片表面的剖视图；
图5为本申请一种实施的介电涂层内介电材料的居里-外斯常数测算示意图；
图6为本申请一种实施的介电层设于负极片表面的剖视图；
图7为本申请一种实施的介电层全部覆盖负极片的剖视图；
图8为本申请一种实施的电极组件的正极片与负极片绕卷设置的剖视图；
图9为本申请一种实施的介电层内极化电场方向示意图。
附图标记：
100、电极组件
110、正极片；111、正极集流体；112、正极活性材料；
120、负极片；121、负极集流体；122、负极活性材料；
130、隔膜；
140、负极介电层；
200、电化学装置；
210、外包装；210a、内部空间。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
发明人发现，电化学装置中，负极片中金属阳离子析出问题常见的表观原因有以下几大类：a.负极片尺寸设计不当，导致嵌金属阳离子位点不足；b.嵌金属阳离子路径异常，如循环过程中电极组件变形，正极片、负极片界面破坏造成的金属阳离子析出；c.主材异常，如负极片的负极活性材料压实密度过高，表面孔结构破坏造成的金属阳离子析出；d.电极组件中特定位置金属阳离子析出，如拐角处由于应力场情况复杂导致的金属阳离子析出。究其根本，负极片金属阳离子析出问题根源于金属阳离子嵌入时动力学不足带来的负极片的电位降低。基于此，本申请提供了一种电极组件及其制备方法、电化学装置及电子装置。
如图1所示，为本申请一种实施例的电极组件100的结构示意图，电极组件100用于安装于电化学装置200内，如图2所示，为电极组件100安装于电化学装置200的外包装210内的结构示意图。电极组件100包括正极片110、负极片120和隔膜130，隔膜130设于正极片110和负极片120之间，以将正极片110与负极片120间隔开来，隔膜130具有离子绝缘性，防止正极片110与负极片120接触后短接。
电极组件100还包括负极介电层140，负极介电层140设于隔膜130和负极片120之间。负极介电层140的数量为至少一层，如图3和图4所示，介电层可连接于隔膜130和负极片120中至少一个的表面。例如，可设置负极介电层140位于负极片120表面，并与隔膜130贴合或间隔设置；或者，设置负极介电层140位于隔膜130朝向负极片120的表面，并与负极片120贴合或间隔设置。
负极介电层140包括介电材料，本申请介电材料在25℃下的居里-外斯常数范围为10K至10^ 6K，此范围内介电材料为无序-有序型，负极介电层140内可在电场中经极化形成内建电场，具有内建电场的负极介电层140在电化学装置200生命周期内更容易保持稳定，对负极片120电位的提升也更有效。当负极介电层140设于隔膜130或负极片120表面时，负极片120表面与负极介电层140正电荷侧接触，能将负极片120表面电位提高至金属阳离子形核过电位以上，进而改善负极片120金属阳离子析出问题。当金属阳离子到达负极介电层140表面，负极介电层140内部的内建电场对局域出现的集中金属阳离子流进行负反馈，削弱局部出现的大电流，提前均匀化负极片120表面电流密度，显著改善电化学装置中负极片金属离子析出问题。
进一步地，介电材料在25℃下的居里-外斯常数范围为10^ 3K至10^ 5K。
在一些示例性的实施例中，介电材料在25℃下的矫顽场强度的取值范围为：0KV/mm＜Ec≤100KV/mm。满足上述矫顽场强度范围内的介电材料具有介电性，将将包括上述介电材 料的负极介电层140置于平行电场中进行极化，改变介电材料的偶极矩方向，使负极介电层140内介电材料为无序-有序型，能够使负极介电层140内形成内建电场。极化完成后，获取负极介电层140内介电材料的介电系数，并通过居里-外斯定律和介电系数可获取获取负极介电层140内介电材料的居里-外斯常数。介电材料的介电系数满足居里-外斯定律，居里-外斯定律为：
其中，ε为介电系数，T为绝对温度，Tc为材料的居里温度，c为居里-外斯常数。如图5所示，居里-外斯常数c可通过获取绝对温度(即当前环境温度，例如室温25℃)、材料的居里温度以及介电材料的介电系数，并拟合介温曲线斜率的倒数测算。
需要说明的是，负极介电层140内介电材料分子数量庞大，具有矫顽场强度的各介电材料的电偶极矩方向难以完全统一，本申请极化后的负极介电层140内各介电材料的电偶极矩方向可存在差异，例如，负极介电层140内，全部介电材料的电偶极矩方向由负极片120指向正极片110；或者，如图6所示，其中一部分的介电材料电偶极矩方向由负极片120指向正极片110、另一部分介电材料电偶极矩方向由正极片110指向负极片120，图6中，负极介电层140内箭头所指方向即为介电材料电偶极矩方向。其中，在上述两种情况下，各介电材料的电偶极矩方向与负极片120的厚度方向X的夹角可相同或存在差异。
在一些示例性的实施例中，介电材料选自介电陶瓷材料、介电无机化合物材料或介电聚合物材料中的至少一种。
在一些示例性的实施例中，介电陶瓷材料包括具有介电性质的单元系介电陶瓷、二元系介电陶瓷、三元系介电陶瓷中的至少一种；单元系介电陶瓷包括：钛酸钡、钛酸铅、铌酸锂、钽酸锂中的至少一种；二元系介电陶瓷包括：锆钛酸铅(PbZr xTi 1-xO 3，其中0＜x＜1)；三元系介电陶瓷包括：锆钛酸铅(PbZr xTi 1-xO 3，其中0＜x＜1)-铌镁酸铅(PbMg xNb 1-xO 3，其中0＜x＜1)系陶瓷、锆钛酸铅(PbMn xSb 1-xO 3，其中0＜x＜1)-铌锌酸铅(PbZn xNb 1-xO 3，其中0＜x＜1)系陶瓷、锆钛酸铅(PbMn xSb 1-xO 3，其中0＜x＜1)-锰锑酸铅(PbMn xSb 1-xO 3，其中0＜x＜1)系陶瓷或者式Ⅰ所示陶瓷物质中的至少一种；
Pb 1-xM x(Zr yTi 1-y) (1-x/4)O 3 式Ⅰ
式Ⅰ中，M选自稀土元素中的任一种，0＜x＜1,0＜y＜1。
介电无机化合物材料包括具有介电性质的金属氧化物、氮化物、碳化物、金属间化合物、盐类中的至少一种。
介电聚合物材料包括具有介电性质的聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯/聚三氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯/聚四氟乙烯共聚物、奇数尼龙系介电聚合物-(HN-(CH2) x-CO-)n-(其中x为偶数，n为任意正整数)、非晶态介电聚合物中的至少一种；非晶态介电聚合物包括：亚乙烯基二氰 /醋酸乙烯共聚物、亚乙烯基二氰/苯甲酸乙烯共聚物、亚乙烯基二氰/丙酸乙烯共聚物、亚乙烯基二氰/新戊酸乙烯共聚物、亚乙烯基二氰/甲基丙烯酸甲酯共聚物、亚乙烯基二氰/异丁烯共聚物中的至少一种。
在一些示例性的实施例中，负极介电层140的厚度范围为0.1μm～5μm，例如，负极介电层140的厚度可为0.1μm、1μm、3μm、4μm、或5μm等。当负极介电层140的厚度小于0.1μm时，负极介电层140厚度过薄难以在负极介电层140内形成有效的内建电场来均匀负极片120表面的电流；当负极介电层140的厚度大于0.1μm时，负极介电层140厚度过厚，金属阳离子难以穿透负极介电层140迁移至负极片120内，同时负极介电层140过厚将占用较多的电化学装置200内部空间210a，导致电化学装置200内的非活性物质占比增大。另外，负极介电层140过厚或过薄，均不利于负极介电层140随负极片120或隔膜130弯折加工，限制负极介电层140在电化学装置200中的应用。
负极介电层还包括有机介质，介电材料与有机介质的重量比为0.05～0.5：1。有机介质包括N-甲基吡咯烷酮、丙二醇、丙三醇或甘二醇中的至少一种。
正极片110包括正极集流体111和正极活性材料112，正极活性材料112设于正极集流体111的至少一个表面上，负极片120包括负极集流体121和负极活性材料122，负极活性材料122设于负极集流体121的至少一个表面上。负极活性材料122形成孔隙结构，以形成嵌设金属阳离子的空间。当负极介电层140设于负极片120表面时，则由负极活性材料122与负极介电层140连接。
本申请的负极片120没有特别限制，负极活性材料122可以为现有技术的任何负极活性材料122，负极活性材料122包括石墨、硬碳、软碳、硅、硅碳或硅氧化物等中的至少一种；负极集流体121可以为本领域公知的任何负极集流体121，如铜箔、铝箔、铝合金箔或复合集流体等。
本申请的隔膜130没有特别限制，例如，隔膜130可包括由对本申请的电解液稳定的材料制得，使电解液内的离子可从隔膜130穿过，以使电解液内的离子能够在正极片110和负极片120之间活动，例如隔膜130可包括聚乙烯(PE)等。
负极介电层140设于负极活性材料122表面或设于隔膜130表面时，负极介电层140内的介电材料能够与负极活性材料122和隔膜130稳定地连接，不易被剥离。
如图7所示，在负极片120的厚度方向X，负极介电层140全部覆盖负极活性材料122。其中，负极介电层140内内建电场的电场方向与负极片120的厚度方向X可平行或呈锐角设置，较佳地，垂直设置，以使负极介电层140可更高效地均匀负极片120表面电流密度。
隔膜130设于正极片110和负极片120之间，其中，负极片120、隔膜130和正极片110可沿负极片120厚度方向X依次层叠设置或绕卷设置，如图8所示，为负极片120、隔膜130 和正极片110绕卷设置的结构示意图，图9中负极介电层140内箭头所指方向即为内建电场方向。
本申请的正极片110没有特别限制，正极活性材料112包括镍钴锰三元材料、镍钴铝材料、磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、磷酸锰铁锂或钛酸锂中的至少一种；正极集流体111可以为本领域公知的任何正极集流体111，如铝箔、铝合金箔或复合集流体等，正极活性材料112可以为现有技术的任何正极活性材料112。
电极组件100还包括正极耳和负极耳，正极耳与正集流体电性连接，负极耳与负集流体电性连接。当电极组件100设于电化学装置200内时，正极耳和负极耳用于与外部电路电性连接，以对电化学装置200进行充放电，以及用于监测电化学装置200内部工作状态。
本申请还提供了一种电极组件100的制备方法，用于制备如上所述的电极组件100。制备方法包括：
将介电材料先设于隔膜130和/或负极片120的表面，然后再进行极化处理，即得到负极介电层140。或者，将介电材料先进行极化处理，然后将经过极化处理的介电材料贴附在隔膜130和/或负极片120的表面，即得到负极介电层140。其中，介电材料在25℃下的居里-外斯常数范围为10K至10^ 6K。
负极介电层140内的内建电场可在极化处理过程中形成，例如，可采用极化装置对负极介电层140内的介电材料进行极化处理，极化介质可以为空气，通过控制极化装置产生平行电场，负极介电层140置于平行电场内，平行电场作用于负极介电层140的介电材料，并调整介电材料的电偶极矩方向，使负极介电层140内形成内建电场。可通过调整平行电场相对负极介电层140内介电材料的方向，可调整介电层内介电材料电偶极矩的方向，从而调整负极介电层140内的内建电场的方向。
在一些示例性的实施例中，将介电材料置于平行电场中进行极化处理，平行电场的场强为介电材料在25℃下的矫顽场强度的0.1倍至6倍。将介电材料置于平行电场进行极化处理的时间范围为30min。
介电材料可在不定型的状态或定型的状态设于隔膜130或负极片120表面，其中，不定型的状态包括粉末状或浆料状等，定型的状态包括呈薄膜、片状等。例如，上述介电材料中的介电聚合物材料、介电陶瓷材料，可呈粉末状混于溶剂中设于隔膜130或负极片120表面，再经过极化处理等工艺形成负极介电层140；介电无机化合物可制成薄膜，并经极化处理后形成负极介电层140，再层叠于隔膜130或负极片120表面。
当将介电材料加工成定型的状态形成负极介电层140后再设于隔膜130或负极片120表面时，可将负极介电层140粘接于隔膜130或负极片120表面，或者，将负极介电层140初步连接于隔膜130或负极片120表面后，在后续电化学装置200加工过程中，例如在电化学 装置200的化成步骤中，进行施加压力作用于负极介电层140、热处理负极介电层140中的至少一种处理方式，将负极介电层140固定于隔膜130或负极片120。
请再参阅图2，本申请还提供了一种电化学装置200，电化学装置200包括外包装210、电解液以及如上所述的电极组件100，电极组件100采用如上所述的电极组件100的制备方法得到。电极组件100设于外包装210的内部空间210a，电解液填充于外包装210的内部空间210a。本申请对电化学装置没有特别限制，例如可以包括但不限于锂离子电池或钠离子电池。
本申请中的外包装210没有特别限制，可以使用本领域公知的外包装，例如可以是硬壳，例如硬塑料壳、铝壳、钢壳等；也可以是软包，例如袋式软包，软包的材质可以是铝塑料，如聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)中的至少一种。
本申请的电解液没有特别限制，可以使用本领域公知的任何电解液，电解液可以是凝胶态、固态和液态中的任一种。当电解液为液态电解液时，液态电解液包括锂盐和非水溶剂。锂盐没有特别限制，可以使用本领域公知的任何锂盐，只要能实现本申请的目的即可，例如，锂盐可以包括LiTFSI、LiPF 6、LiBF 4、LiAsF 6、LiClO 4、LiB(C 6H 5) 4、LiCH 3SO 3、LiCF 3SO 3、LiN(SO 2CF 3) 2、LiC(SO 2CF 3) 3或LiPO 2F 2等中的至少一种。非水溶剂没有特别限定，只要能实现本申请的目的即可，例如，非水溶剂可以包括碳酸酯化合物、羧酸酯化合物、醚化合物、腈化合物或其它有机溶剂等中的至少一种，碳酸酯化合物可以包括碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二丙酯(DPC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸乙丙酯(EPC)、碳酸甲乙酯(MEC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸1,2-二氟亚乙酯、碳酸1,1-二氟亚乙酯、碳酸1,1,2-三氟亚乙酯、碳酸1,1,2,2-四氟亚乙酯、碳酸1-氟-2-甲基亚乙酯、碳酸1-氟-1-甲基亚乙酯、碳酸1,2-二氟-1-甲基亚乙酯、碳酸1,1,2-三氟-2-甲基亚乙酯或碳酸三氟甲基亚乙酯等中的至少一种。
本申请还提供了一种电子装置，包括如上的电化学装置200，例如，例如，电子装置可包括笔记本电脑、便携式电话、汽车、摩托车、助力自行车等。
以下将以电化学装置200为锂离子电池为例，结合具体实施例对本申请作进一步详细的说明。
实施例1
负极介电层140的制备：
(1)提供粉末状的BaTiO 3作为介电材料，粉末状的BaTiO 3介电材料25℃下矫顽场强度为1KV/mm，将粉末状的BaTiO 3介电材料分散于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，搅拌使BaTiO 3分散均匀，获得介电浆料，其中，BaTiO 3与NMP的重量比为0.12，即介电浆料的固含量为12％。
(2)采用刮刀将介电浆料均匀涂覆于厚度15μm的聚乙烯(PE)隔膜130表面，置于真空干燥箱中80℃烘干，获得表面附着有介电材料的隔膜130。其中，烘干后，附着于隔膜130表面的介电材料的厚度为1μm(也即后续获得的附着于隔膜130表面的负极介电层140的厚度为1μm)。
(3)将表面附着有介电材料的隔膜130放置于极化装置的平行电场中进行极化，极化介质为空气，极化装置包括用于产生平行电场的正极压板和负极压板，正极压板和负极压板之间的平行电场方向由正极压板指向负极压板，介电材料贴合负极压板放置，平行电场场强为0.1kV/mm，极化时间为30min，极化完成后，获得表面附着有负极介电层140的隔膜130，并裁切成(42mm×62mm)的规格待用。其中，负极介电层140的厚度为1μm，极化后，使用三琦电子1200HTDE-LTC高温介电测量系统测量得到负极介电层140内介电材料的居里-外斯常数为1.51×10 5K。
正极片110的制备：
将三元正极活性材料112(LiNi 0.8Co 0.1Mn 0.1O 2)、导电炭黑(Super P)、聚偏二氟乙烯(PVDF)按照重量比97.5:1.0:1.5进行混合，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，调配成为固含量为0.75的浆料，并搅拌均匀。将浆料均匀涂覆在正极集流体111铝箔上，90℃条件下烘干，得到单面涂布的正极片110，涂布厚度为70μm，将单面涂布的正极片110裁切成(38mm×58mm)的规格待用。
负极片120的制备：
将负极活性材料122(石墨)、导电炭黑(Super P)、聚偏二氟乙烯(PVDF)按照重量比97:1.0:2.0进行混合，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，调配成为固含量为0.8的浆料，并搅拌均匀。将浆料均匀涂覆在负极集流体121铜箔相对的两个表面上，80℃条件下烘干，得到双面涂布的负极片120，其中，单面涂布厚度为100μm，将双面涂布的负极片120裁切成(40mm×60mm)的规格待用。
电解液的制备：
在干燥氩气气氛中，将二氧环戊烷(DOL)、二甲醚(DME)以1:1的体积比混合，获得有机溶剂，向有机溶剂中加入锂盐LiTFSI溶解并混合均匀，得到锂盐的浓度为1M的电解液。
锂离子电池的制备：
将上述裁切后的负极片120置于中间，负极片120厚度方向X相对的两侧分别设置上述裁切后的正极片110，并在各正极片110和负极片120之间设置上述裁切后的附着有负极介电层140的隔膜130，且负极介电层140朝向负极片120，将负极片120、两层正极片110和两层附着有负极介电层140的隔膜130沿负极片120厚度方向X层叠。用胶带将层叠后的 负极片120、正极片110和隔膜130的四个角固定后，置入铝塑膜外包装210的内部空间210a，经外包装210的开口处向外包装210的内部空间210a注入电解液后，封装外包装210的开口，获得叠片锂离子电池。
实施例2
与实施例1的区别为：将表面附着有介电材料的隔膜130放置于平行电场中进行极化处理，平行电场场强为1kV/mm。极化后，负极介电层140内介电材料的居里-外斯常数为1.53×10 5K。
实施例3
与实施例1的区别为：将表面附着有介电材料的隔膜130放置于平行电场中进行极化处理，平行电场场强为3kV/mm。极化后，负极介电层140内介电材料的居里-外斯常数为1.65×10 5K。
实施例4
与实施例1的区别为：将表面附着有介电材料的隔膜130放置于平行电场中进行极化处理，平行电场场强为5kV/mm。极化后，负极介电层140内介电材料的居里-外斯常数为1.56×10 5K。
实施例5
与实施例1的区别为：将表面附着有介电材料的隔膜130放置于平行电场中进行极化处理，平行电场场强为3kV/mm。极化后，设于隔膜130表面的介电层的厚度为0.1μm，极化后，负极介电层140内介电材料的居里-外斯常数为1.56×10 5K。
实施例6
与实施例5的区别为：设于隔膜130表面的介电层的厚度为3μm，极化后，负极介电层140内介电材料的居里-外斯常数为1.67×10 5K。
实施例7
与实施例5的区别为：设于隔膜130表面的介电层的厚度为5μm，极化后，负极介电层140内介电材料的居里-外斯常数为1.75×10 5K。
实施例8
与实施例1的区别在于：
介电层的制备：
(1)提供粉末状的BaTiO 3作为介电材料，粉末状的BaTiO 3介电材料25℃下矫顽场强度为1KV/mm，将粉末状的BaTiO 3介电材料分散于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，搅拌使BaTiO 3分散均匀，获得介电浆料。采用刮刀将介电浆料均匀涂覆于负极片120相对的两个表面，置于真空干燥箱中80℃烘干后，附着于负极片120表面的各层介电材料的厚度为0.1μm (也即后续获得的附着于负极片120表面的各负极介电层140的厚度为0.1μm)。极化后，使用三琦电子1200HTDE-LTC高温介电测量系统测量得到负极介电层140内介电材料的居里-外斯常数为1.51×10 5K。
(2)将双面设有介电材料的负极片120放置于极化装置的平行电场中进行极化，将负极片120其中一侧的介电材料贴合极化装置的正极压板放置，平行电场场强为3kV/mm，极化时间为30min，然后翻转负极片120，将负极片120另一侧的介电材料贴合极化装置的正极压板放置，极化时间为30min，极化完成后，得到双面设有介电层的负极片120。
锂离子电池的制备：
将上述裁切后的双面设有负极介电层140的负极片120置于中间，负极片120厚度方向X相对的两侧分别设置裁切后的正极片110，并在各正极片110和负极片120之间设置厚度15μm的聚乙烯(PE)隔膜130，将双面设有负极介电层140的负极片120、两层正极片110和两层隔膜130沿负极片120厚度方向X层叠。用胶带将层叠后的负极片120、正极片110和隔膜130的四个角固定后，置入铝塑膜外包装210的内部空间210a，经外包装210的开口处向外包装210的内部空间210a注入电解液后，封装外包装210的开口，获得叠片锂离子电池。
实施例9
与实施例8的区别在于：与实施例8的区别在于：设于负极片120表面的各负极介电层140的厚度为1μm。极化后，负极介电层140内介电材料的居里-外斯常数为1.53×10 5K。
实施例10
与实施例8的区别在于：与实施例8的区别在于：设于负极片120表面的各负极介电层140的厚度为3μm。极化后，负极介电层140内介电材料的居里-外斯常数为1.58×10 5K。
实施例11
与实施例8的区别在于：与实施例8的区别在于：设于负极片120表面的各负极介电层140的厚度为5μm。极化后，负极介电层140内介电材料的居里-外斯常数为1.59×10 5K。
实施例12
与实施例8的区别在于：将双面设有介电材料的负极片120放置于平行电场中进行极化，平行电场场强为0.1kV/mm。极化后，负极介电层140内介电材料的居里-外斯常数为1.72×10 5K。
实施例13
与实施例8的区别在于：将双面设有介电材料的负极片120放置于平行电场中进行极化，平行电场场强为1kV/mm。极化后，负极介电层140内介电材料的居里-外斯常数为1.52×10 5K。
实施例14
与实施例8的区别在于：将双面设有介电材料的负极片120放置于平行电场中进行极化，平行电场场强为5kV/mm。极化后，负极介电层140内介电材料的居里-外斯常数为1.66×10 5K。
实施例15
与实施例1的区别在于：介电材料为粉末状的三甘氨酸硫酸盐(TGS)，粉末状的TGS介电材料25℃下矫顽场强度为0.8KV/mm。粉末状的TGS介电材料分散于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，搅拌使TGS分散均匀，获得介电浆料。采用刮刀将介电浆料均匀涂覆于厚度15μm的聚乙烯(PE)隔膜130表面，置于真空干燥箱中80℃烘干后，附着于隔膜130表面的介电材料的厚度为1μm。将表面设有TGS介电材料的隔膜130放置于平行电场中进行极化，介电材料贴合极化装置的负极压板放置，平行电场场强为3kV/mm，极化时间为30min，极化完成后，获得表面附着有负极介电层140的隔膜130，设于隔膜130表面的负极介电层140的厚度为1μm，使用三琦电子1200HTDE-LTC高温介电测量系统测量得到负极介电层140内介电材料的居里-外斯常数为3.25×10 5K。
实施例16
与实施例1的区别在于：介电材料为粉末状的NaNO 2，粉末状的NaNO 2介电材料25℃下矫顽场强度为1.2KV/mm。粉末状的NaNO 2介电材料分散于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，搅拌使NaNO 2分散均匀，获得介电浆料。采用刮刀将介电浆料均匀涂覆于厚度15μm的聚乙烯(PE)隔膜130表面，置于真空干燥箱中80℃烘干后，附着于隔膜130表面的介电材料的厚度为1μm。将表面设有NaNO 2介电材料的隔膜130放置于平行电场中进行极化，介电材料贴合极化装置的负极压板放置，平行电场场强为3kV/mm，极化时间为30min，极化完成后，获得表面附着有负极介电层140的隔膜130，设于隔膜130表面的负极介电层140的厚度为1μm，使用三琦电子1200HTDE-LTC高温介电测量系统测量得到负极介电层140内介电材料的居里-外斯常数为1.01×10 4K。
实施例17
与实施例8的区别在于：介电材料为尼龙7，尼龙7介电材料在25℃下矫顽场强度为97KV/mm。将尼龙7介电材料制备成厚度为5μm的尼龙7薄膜(分子式为-(HN-(CH 2) 6-CO-)n-，品牌：台湾化学纤维股份有限公司，牌号：NP4000)，将尼龙7薄膜放置于平行电场中进行极化，平行电场场强为280kV/mm，极化时间为30min，内建电场方向平行于尼龙7薄膜厚度方向X且保持恒定，极化完成后获得负极介电层140，将负极介电层140带正电方向贴在负极片120表面。其中，极化后获得的负极介电层140，使用三琦电子1200HTDE-LTC高温介电测量系统测量得到负极介电层140内介电材料的居里-外斯常数为10 4K-10 5K。本实施例中，可直接将负极介电层140贴合于负极片120表面，在后续锂离子电池制备的化成工序中，进一步增加负极介电层140与负极片120的粘接力。
对比例1
与实施例1的区别在于：未在隔膜130和负极片120之间设置负极介电层140。
使用下述方法对各实施例和对比例中的电极组件100和电化学装置200进行测试：
负极片120析锂倍率：
在测试温度为25℃条件下，以一定倍率恒流充电到4.3V，倍率不小于3C，再恒压充电到0.05C，静置5分钟后以1C放电到2.8V。以上步骤得到的容量即为锂离子电池的初始容量，进行与前一步相同倍率充电/1C放电的步骤对锂离子电池进行循环测试，循环10圈后拆解电池观察负极片是否析锂，以观察到负极片开始析锂的倍率作为负极片出现析锂的倍率。
上述实施例1-17、对比例1的参数设置和测试结果请见表1。
表1
(备注：表1中，隔膜负极侧为隔膜130朝向负极片120的一侧)
从实施例1-17和对比例1可以看出，包括本申请所提供的负极介电层140的锂离子电池，其析锂倍率得到显著改善，明显优于未设置负极介电层140的锂离子电池。负极介电层140中的介电材料的居里-外斯常数范围为10K至10^ 6K时，负极介电层140中的介电材料为无序-有 序型，负极介电层140内可在电场中经极化后形成内建电场，在电化学装置生命周期内更容易保持稳定，可有效提升负极片电位和削弱局部出现的大电流，改善负极片的析锂情况以及提升电化学装置的性能。
从实施例1-7和实施例12-14可以看出，无论负极介电层140位于隔膜阳极侧或位于负极片120表面，利用本申请范围内的平行电场强度及方向对负极介电层140进行极化后，均可以有效提升锂离子叠片电池负极片120的析锂倍率。
负极介电层140的厚度通常也会对锂离子电池负极片120析锂倍率产生影响。从实施例3和实施例5-7、实施例8-11可以看出，在本申请范围内优化负极介电层140的厚度，可以得到负极片120析锂倍率进一步提升的锂离子电池。
从实施例3、实施例15-17可以看出，采用不同种类的介电材料获得的介电层，介电材料矫顽场强度在本申请范围内，对锂离子叠片电池负极片120析锂的倍率均有改善。
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本申请的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

  1. 一种电极组件，其特征在于，包括：
    正极片、负极片、隔膜和负极介电层；
    所述隔膜设于所述正极片和所述负极片之间；
    所述负极介电层设置于所述负极片上，所述负极介电层包括介电材料，所述介电材料在25℃下的居里-外斯常数范围为10K至10^ 6K。
  2. 根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于，所述介电材料在25℃下的矫顽场强度的取值范围为：0KV/mm＜Ec≤100KV/mm。
  3. 根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于，所述介电材料包括介电陶瓷材料、介电无机化合物材料或介电聚合物材料中的至少一种。
  4. 根据权利要求3所述的电极组件，其特征在于，
    所述介电陶瓷材料包括具有介电性质的单元系介电陶瓷、二元系介电陶瓷、三元系介电陶瓷中的至少一种；所述单元系介电陶瓷包括：钛酸钡、钛酸铅、铌酸锂、钽酸锂中的至少一种；所述二元系介电陶瓷包括：锆钛酸铅；所述三元系介电陶瓷包括：锆钛酸铅-铌镁酸铅系陶瓷、锆钛酸铅-铌锌酸铅系陶瓷、锆钛酸铅-锰锑酸铅系陶瓷或者式Ⅰ所示陶瓷物质中的至少一种；
    Pb 1-xM x(Zr yTi 1-y) (1-x/4)O 3 式Ⅰ
    式Ⅰ中，M选自稀土元素中的任一种，0＜x＜1,0＜y＜1；
    所述介电无机化合物材料包括具有介电性质的金属氧化物、具有介电性质的氮化物、具有介电性质的碳化物、具有介电性质的金属间化合物、具有介电性质的盐类中的至少一种；
    所述介电聚合物材料包括具有介电性质的聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯/聚三氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯/聚四氟乙烯共聚物、奇数尼龙系介电聚合物、非晶态介电聚合物中的至少一种；
    非晶态介电聚合物包括：亚乙烯基二氰/醋酸乙烯共聚物、亚乙烯基二氰/苯甲酸乙烯共聚物、亚乙烯基二氰/丙酸乙烯共聚物、亚乙烯基二氰/新戊酸乙烯共聚物、亚乙烯基二氰/甲基丙烯酸甲酯共聚物、亚乙烯基二氰/异丁烯共聚物中的至少一种。
  5. 根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于，所述介电材料在25℃下的居里-外斯常数范围为10^ 4K至10^ 6K。
  6. 根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于，所述负极介电层的厚度范围为0.1μm至5μm。
  7. 根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于，所述负极介电层还包括有机介质，所述介电材料与有机介质的重量比为0.05～0.5：1；
    所述有机介质包括N-甲基吡咯烷酮、丙二醇、丙三醇或甘二醇中的至少一种。
  8. 一种制备根据权利要求1所述的电极组件的方法，包括：
    将介电材料先涂覆在负极片的表面，然后再进行极化处理，即得到负极介电层；或，
    将介电材料先进行极化处理，然后将经过极化处理的介电材料贴附在负极片的表面，即得到负极介电层。
  9. 根据权利要求8所述的电极组件的制备方法，其特征在于，将所述介电材料进行极化处理的方法包括：将所述介电材料置于平行电场中进行极化处理，所述平行电场的场强为所述介电材料在25℃下的矫顽场强度的0.1倍至6倍。
  10. 一种电化学装置，其特征在于，包括权利要求1至7中任一项所述的电极组件或权利要求8至9中任一项所述的方法制备的电极组件。
CN202280053098.XA 2022-03-29 2022-03-29 电极组件及其制备方法、电化学装置 Pending CN117751465A (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CN2022/083826 WO2023184179A1 (zh) 2022-03-29 2022-03-29 电极组件及其制备方法、电化学装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117751465A true CN117751465A (zh) 2024-03-22

Family

ID=88198351

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202280053098.XA Pending CN117751465A (zh) 2022-03-29 2022-03-29 电极组件及其制备方法、电化学装置

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN117751465A (zh)
WO (1) WO2023184179A1 (zh)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102168351B1 (ko) * 2016-12-28 2020-10-21 주식회사 엘지화학 리튬금속전지용 음극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬금속전지
CN115632104A (zh) * 2017-12-20 2023-01-20 宁德时代新能源科技股份有限公司 一种负极极片，其制备方法及电化学装置
KR102639662B1 (ko) * 2018-08-13 2024-02-22 주식회사 엘지에너지솔루션 강유전성 고분자 보호층이 형성된 리튬 이차전지용 음극, 이의 제조 방법 및 상기 음극을 포함하는 리튬 이차전지
NL2023666B1 (en) * 2019-08-20 2021-04-21 Univ Delft Tech High dielectric electrode additives to achieve dendrite free stable Li-metal plating
WO2022193188A1 (zh) * 2021-03-17 2022-09-22 宁德新能源科技有限公司 一种负极极片、电化学装置及电子装置
EP4089754A4 (en) * 2021-03-31 2023-03-08 Ningde Amperex Technology Limited NEGATIVE ELECTRODE PLATE, ELECTROCHEMICAL APPARATUS COMPRISING A NEGATIVE ELECTRODE PLATE AND ELECTRONIC APPARATUS

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023184179A1 (zh) 2023-10-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9455477B2 (en) Non-aqueous electrolyte battery having polymer layers including graphite
EP2980888B1 (en) Nonaqueous electrolyte battery and battery pack
US20090197158A1 (en) Nonaqueous electrolyte battery
US6579648B2 (en) Nonaqueous secondary battery
US20070037049A1 (en) Auxiliary power unit
US20170018797A1 (en) Nonaqueous electrolyte battery and battery pack
JP3831939B2 (ja) 電池
WO2009122933A1 (ja) リチウム二次電池の正極およびその製造方法
WO2017047353A1 (ja) 非水電解質二次電池
CN111095613B (zh) 电极、非水电解质电池及电池包
JP7333474B2 (ja) 電気化学装置及び電子装置
WO2022061562A1 (zh) 电化学装置和电子装置
JP6656370B2 (ja) リチウムイオン二次電池および組電池
KR101460856B1 (ko) 비수 전해질 전지, 전지용 전극 및 전지 팩
US10541453B2 (en) Battery module for starting a power equipment
JP2000173657A (ja) 固体電解質電池
WO2016021443A1 (ja) リチウムイオン電池の負極の製造方法、並びにリチウムイオン電池の製造方法
US9660258B2 (en) Lithium-ion secondary battery
US20220223983A1 (en) Electrochemical device and electronic device
US9466837B1 (en) Battery having negative electrode including amorphous carbon
JP2003243038A (ja) 正極板およびこれを用いたリチウム二次電池
CN110546806A (zh) 锂离子二次电池
CN117751465A (zh) 电极组件及其制备方法、电化学装置
JP5114847B2 (ja) 非水電解質二次電池およびその製造方法
KR20210011245A (ko) 이차전지의 제조방법

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