CN219286445U - 一种电极结构及应用其的锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电极结构及应用其的锂离子电池，包括集流体和活性涂层；活性涂层大于等于两个，且多个活性涂层沿集流体的厚度方向依次层叠设置；至少一个活性涂层包括涂布区和空白区，空白区沿活性涂层的延展方向间隔布置，涂布区沿活性涂层的延展方向连续或间隔布置。本实用新型通过对活性涂层进行分层涂覆以及间隔涂布，可有效提高电解液浸润程度，减少离子传导路径，降低电极内阻，抑制电极极化，提高离子导电性能，有助于实现锂离子电池的快速充放电性能的提高。并且，由于电极结构仅涉及对活性涂层的结构改进，无需增加其余材料或包覆其余涂层，也无需设计特定的工艺流程来配置不同的活性材料，结构设计简单合理且制备工艺流程简便。

Description

一种电极结构及应用其的锂离子电池

技术领域

本实用新型涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种电极结构及应用其的锂离子电池。

背景技术

当前国内新能源产业的发展促进了人们对高能量密度电池的需求日益增加，而其中兼具高容量、长寿命、高稳定性、高功率密度特性的锂离子电池更是新能源产业发展的重要组成部分，硅作为目前已知比容量(4200mAh/g)最高的锂离子电池负极材料受到广泛关注。然而，硅材料自身存在的低导电性和硅晶化导致的高膨胀性影响了硅负极在锂离子电池中的产业化应用，成为锂离子电池当前亟待解决的问题。

公告号为CN207303230U的中国专利文献公开了一种硅碳负极极片，其通过将硅碳负极活性材料层设置成凹凸结构，同时在负极材料上涂覆一层石墨烯层，来防止在充放电过程中负极材料表面上的固体电解质界面膜(SEI)的厚度的增加，提高电池的循环性能。然而，该技术方案需要在电极浆料上设置凸起和间隔以及在表面包覆石墨烯，结构设计复杂进而导致工艺技术较为复杂。公告号为CN113285062B的中国专利文献公开了一种厚电极材料及其制备方法、锂离子电池，其通过间隔涂布不同大小粒径的浆料以在电极中形成通孔，实现电解液的有效浸润解决电极电导率差的问题。然而，该技术方案需要在涂布过程中精密控制大小粒径浆料的分布以实现有效的浆料通孔，工艺难度相对较大，电解液浸润效果不理想。

由此，开发一种易制备、离子导通性好的电极结构以解决电解液浸润性差和硅电极循环过程中极片膨胀性高的问题在推动硅电极的产业化应用过程中具有重要的意义。

实用新型内容

为了解决现有技术中硅电极在压实后电解液浸润性差、电极循环过程中膨胀率高和特殊电极结构工艺难度大的技术问题，本实用新型提供一种电极结构及应用其的锂离子电池，该电极结构及应用其的锂离子电池对通过电极结构进行有效设计，具有结构设计简单合理、制备工艺简单、电解液浸润性好以及极片循环过程中膨胀率低等特点。

本实用新型为解决其问题所采用的技术方案是：

一种电极结构，其包括：

集流体以及涂覆设置在所述集流体上的活性涂层；

其中，所述活性涂层的数量大于等于两个，且多个所述活性涂层沿所述集流体的厚度方向依次层叠设置；

并且，至少一个所述活性涂层包括涂布区和空白区，所述空白区沿所述活性涂层的延展方向间隔布置，所述涂布区沿所述活性涂层的延展方向连续或间隔布置。

进一步地，所述空白区的宽度大小为0.5～10μm。

进一步地，所述空白区的截面形状包括矩形、圆形、菱形、三角形中的任意一种或几种。

进一步地，多个所述活性涂层的厚度之和大于或等于100μm。

进一步地，所述集流体包括铜箔、铝箔、镍箔、钢箔的任意一种，所述活性涂层包括活性材料、导电剂和粘结剂，所述活性材料包括硅碳活性材料。

在本实用新型的第二个实施例中，提供了一种关于各层活性涂层的具体结构设置的技术方案。

其中，在多个所述活性涂层中，包括以下情形的至少一种：

与所述集流体之间距离最大的所述活性涂层设有所述涂布区和所述空白区；

除与所述集流体相邻设置的所述活性涂层以外的任意一个所述活性涂层均设有所述涂布区和所述空白区；

任意一个所述活性涂层均设有所述涂布区和所述空白区。

进一步地，当设有所述空白区和所述涂布区的所述活性涂层的数量大于等于两个时，在沿所述活性涂层层叠设置的方向上，各个所述活性涂层的所述空白区的宽度相等、逐渐增大或逐渐减小。

在本实用新型的第三个实施例中，提供了一种关于空白区和涂布区的具体结构设置的技术方案。

其中，所述空白区沿所述活性涂层的长度和/或宽度方向间隔布置，所述涂布区沿所述活性涂层的长度和/或宽度方向连续或间隔布置。

进一步地，所述空白区沿所述活性涂层的长度和/或宽度方向规律和/或非规律间隔布置。

基于同一种设计思路，本实用新型还提供了一种锂离子电池，其包括以上所述的电极结构。

综上所述，本实用新型提供的电极结构及应用其的锂离子电池相比于现有技术，至少具有以下技术效果：

1)本实用新型提供的电极结构及应用其的锂离子电池中，通过对活性涂层进行分层涂覆以及间隔涂布工艺，可在完成锂离子电池的装配后有效提高电解液对电极结构的浸润程度，减少离子传导路径，降低电极内阻，抑制电极极化，提高离子导电性能，降低极片循环过程中的膨胀率，进而有助于实现锂离子电池的快速充放电性能的提高；

2)本实用新型提供的电极结构通过对活性涂层的结构改进实现锂离子电池的快速充放电性能的提高，无需增加其余材料或包覆其余涂层(例如公告号为CN207303230U的中国专利文献中的石墨烯层)，也无需专门设计特定的工艺流程来配置不同的活性材料(例如公告号为CN113285062B的中国专利文献中的大小粒径浆料)，结构设计简单合理，从而可显著降低电极结构的制备工艺流程难度。

附图说明

图1为本实用新型的电极结构的层间结构示意图；

图2为本实用新型的电极结构的另一层间结构示意图；

图3为本实用新型的电极结构的俯视图；

图4为本实用新型的电极结构的另一俯视图；

图5为本实用新型的电极结构的又一俯视图；

其中，附图标记含义如下：

1、集流体；2、活性涂层；3、涂布区；4、空白区。

具体实施方式

为了更好地理解和实施，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本实用新型。

实施例1

参见图1和图2所示，根据本实用新型的第一个实施例，电极结构包括集流体1以及涂覆设置在集流体1上的活性涂层2。具体来说，活性涂层2的数量大于等于两个，且该多个活性涂层2沿集流体1的厚度方向依次层叠设置，也即在制备过程中，将活性浆料分层涂覆在集流体1的一侧，成型后即形成该多层活性涂层2。

参见图3-图5所示，至少一个活性涂层2包括涂布区3和空白区4，该空白区4沿活性涂层2的延展方向间隔布置，该涂布区3沿活性涂层2的延展方向连续或间隔布置。具体而言，根据涂布区3布置方式的不同，活性涂层2具有以下两个结构形式：

当涂布区3沿活性涂层2的延展方向连续布置时，空白区4在活性涂层2上形成点阵图案结构(参见图3和图4所示)；当涂布区3沿活性涂层2的延展方向间隔布置时，任意相邻的两个涂布区3均被空白区4隔开(参见图5所示)。

在该实施例的技术方案中，电极结构通过对活性涂层2进行分层涂覆以及间隔涂布工艺，可在完成锂离子电池的装配后有效提高电解液对电极结构的浸润程度，减少离子传导路径，降低电极内阻，抑制电极极化，提高离子导电性能，降低极片循环过程中的膨胀率，进而有助于实现锂离子电池的快速充放电性能的提高。进一步地，由于该电极结构仅涉及对活性涂层2的结构改进，无需增加其余材料或包覆其余涂层，也无需专门设计特定的工艺流程来配置不同的活性材料，结构设计简单合理，从而可显著降低电极结构的制备工艺流程难度。

值得一提的是，以图1和图2所示的视角为基准，沿集流体1的厚度方向即为竖直延伸方向；以图3-图5所示的视角为基准，沿活性涂层2的延展方向即为水平延伸方向。

在该实施例的一个可选方案中，空白区4的宽度大小为0.5～10μm，也即任意相邻的两个涂布区3之间的最短距离大小为0.5～10μm。

在该实施例的另一个可选方案中，空白区4的截面形状包括矩形、圆形、菱形、三角形中的任意一种或几种。其中，该方案中的矩形包括涂布区3连续布置时，空白区4为密闭形状的矩形(参见图4所示)；也包括涂布区3间隔布置时，空白区4为开放形状的矩形(参见图5所示)；该方案中的圆形包括正圆形和椭圆形。

在该实施例的另一个可选方案中，多个活性涂层2的厚度之和大于或等于100μm，也即无论活性涂层2的数量设置为多少个，集流体1上的活性涂层2的厚度总和均大于或等于100μm。

在该实施例的另一个可选方案中，集流体1包括铜箔、铝箔、镍箔、钢箔的任意一种，活性涂层2包括活性材料、导电剂和粘结剂，活性材料包括硅碳活性材料。具体制备活性涂层2时，将导电剂、粘结剂和活性材料在溶剂中分散制成活性浆料并均匀涂覆在集流体1的表面，活性浆料在集流体1上层叠涂布形成若干层活性涂层2，最终形成电极结构。其中，该浆料的固含量可优选为30％～70％，黏度可优选为3000～10000cps。

实施例2

在本实用新型的第二个实施例中，提供了一种关于各层活性涂层2的具体结构设置的技术方案。

在该实施例的技术方案中，多个活性涂层2包括以下情形的至少一种：

A情形：与集流体1之间距离最大的活性涂层2设有涂布区3和空白区4，也即以图1所述的视角为例，仅位于最上层的活性涂层2设有涂布区3和空白区4。在该结构设计方式中，仅需对最外层的活性涂层2进行间隔涂布以形成涂布区3和空白区4，工艺流程较为简单，但由于仅在一个活性涂层2上间隔涂布，故相较于B情形，电解液浸润程度较低。

B情形：除与集流体1相邻设置的活性涂层2以外的任意一个活性涂层2均设有涂布区3和空白区4，也即以图1所述的视角为例，除最底层以外的所有活性涂层2均设有涂布区3和空白区4。在该结构设计方式中，对多个活性涂层2间隔涂布可提高电解液的浸润程度，但由于需在多个活性涂层2上间隔涂布，故相较于A情形，工艺流程较为复杂。

C情形：任意一个活性涂层2均设有涂布区3和空白区4。在该结构设计方式中，相较于B情形，可进一步提高电解液的浸润程度。

在该实施例的一个优选方案中，当设有空白区4和涂布区3的活性涂层2的数量大于等于两个时，在沿活性涂层2层叠设置的方向上(也即以图2所示视角为基准的竖直方向)，各个活性涂层2的空白区4的宽度相等(参见图1所示)、逐渐增大或逐渐减小(参见图2所示)。具体地，沿活性涂层2层叠设置的方向包括从活性涂层2朝向集流体1的方向和集流体1朝向活性涂层2的方向，以活性涂层2朝向集流体1的方向为例(也即图2所示的从上至下方向)，空白区4的宽度相等可逐渐减小(如图2所示)或逐渐增大。优选地，空白区4的宽度相等逐渐减小，形成上宽下窄的结构形式，有助于活性涂层2在集流体1上的粘附和提升电解液的浸润效果。

实施例3

在本实用新型的第三个实施例中，提供了一种关于空白区4和涂布区3的具体结构设置的技术方案。

参见图3-图5所示，在该实施例的技术方案中，在活性涂层2上，空白区4沿活性涂层2的长度和/或宽度方向间隔布置，涂布区3沿活性涂层2的长度和/或宽度方向连续或间隔布置。其中，沿活性涂层2的长度方向和宽度方向均为活性涂层2的延展方向，二者相互垂直设置。

在该实施例的一个优选方案中，空白区4沿活性涂层2的长度和/或宽度方向规律和/或非规律间隔布置。其中，规律布置即为相邻的各个空白区4之间的最短距离相等或呈周期性变化，也即涂布区3的宽度相等或呈周期性变化；非规律间隔布置即为相邻的各个空白区4之间的最短距离不相等以及不呈周期性变化，也即涂布区3的宽度不相等以及不呈周期性变化。

综上所述，本实用新型通过对活性涂层2进行分层涂覆以及间隔涂布工艺，可在完成锂离子电池的装配后有效提高电解液对电极结构的浸润程度，减少离子传导路径，降低电极内阻，抑制电极极化，提高离子导电性能，降低极片循环过程中的膨胀率，进而有助于实现锂离子电池的快速充放电性能的提高。此外，本实用新型通过对活性涂层2的结构改进实现锂离子电池的快速充放电性能的提高，无需增加其余材料或包覆其余涂层，也无需专门设计特定的工艺流程来配置不同的活性材料，结构设计简单合理，从而可显著降低电极结构的制备工艺流程难度。

实施例4

基于同一种设计思路，本实用新型还提供了一种关于锂离子电池的技术方案，该锂离子电池包括以上所述的电极结构。

其中，该锂离子电池可以为层叠结构或卷绕结构形式。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种电极结构，其特征在于，包括：

集流体以及涂覆设置在所述集流体上的活性涂层；

其中，所述活性涂层的数量大于等于两个，且多个所述活性涂层沿所述集流体的厚度方向依次层叠设置；

并且，至少一个所述活性涂层包括涂布区和空白区，所述空白区沿所述活性涂层的延展方向间隔布置，所述涂布区沿所述活性涂层的延展方向连续或间隔布置。

2.根据权利要求1所述的电极结构，其特征在于，在多个所述活性涂层中，包括以下情形的至少一种：

与所述集流体之间距离最大的所述活性涂层设有所述涂布区和所述空白区；

除与所述集流体相邻设置的所述活性涂层以外的任意一个所述活性涂层均设有所述涂布区和所述空白区；

任意一个所述活性涂层均设有所述涂布区和所述空白区。

3.根据权利要求2所述的电极结构，其特征在于，当设有所述空白区和所述涂布区的所述活性涂层的数量大于等于两个时，在沿所述活性涂层层叠设置的方向上，各个所述活性涂层的所述空白区的宽度相等、逐渐增大或逐渐减小。

4.根据权利要求1所述的电极结构，其特征在于，所述空白区沿所述活性涂层的长度和/或宽度方向间隔布置，所述涂布区沿所述活性涂层的长度和/或宽度方向连续或间隔布置。

5.根据权利要求4所述的电极结构，其特征在于，所述空白区沿所述活性涂层的长度和/或宽度方向规律和/或非规律间隔布置。

6.根据权利要求1所述的电极结构，其特征在于，所述空白区的宽度大小为0.5～10μm。

7.根据权利要求1所述的电极结构，其特征在于，所述空白区的截面形状包括矩形、圆形、菱形、三角形中的任意一种或几种。

8.根据权利要求1所述的电极结构，其特征在于，多个所述活性涂层的厚度之和大于或等于100μm。

9.根据权利要求1所述的电极结构，其特征在于，所述集流体包括铜箔、铝箔、镍箔、钢箔的任意一种，所述活性涂层包括活性材料、导电剂和粘结剂，所述活性材料包括硅碳活性材料。

10.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的电极结构。

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