CN220358122U - 正极片、锂电池及电子设备 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种正极片、锂电池及电子设备，其中正极片包括正极集流体和正极材料层，正极材料层覆盖正极集流体的第一表面，正极材料层包括N个正极材料子层，各正极材料子层均包括材料子层本体以及分散设置于材料子层本体内的多个呈预设形状的固态电解质；其中，N为大于或等于2的正整数，沿靠近第一表面向远离第一表面的方向，正极材料子层内的固态电解质的分布密度逐层增大。如此设计，能够同时兼顾并平衡锂电池的低温放电性能和锂电池的能量密度，从而有效提升了用户的使用体验。

Description

正极片、锂电池及电子设备

技术领域

本公开涉及电子设备领域，尤其涉及一种正极片、锂电池及电子设备。

背景技术

随着锂电池在各个领域应用的越来越广泛，用户对锂电池的性能要求越来越高，例如锂电池的低温放电性能。目前，相关技术中提升锂电池的低温性能的方式，无法同时兼顾锂电池的低温放电性能和锂电池的能量密度，从而降低了用户的使用体验。

实用新型内容

为克服相关技术中存在的问题，本公开提供了一种正极片、锂电池及电子设备。

根据本公开的第一方面，提供了一种正极片，所述正极片包括正极集流体；正极材料层，覆盖所述正极集流体的第一表面，所述正极材料层包括N个正极材料子层，各所述正极材料子层均包括材料子层本体以及分散设置于所述材料子层本体内的多个呈预设形状的固态电解质；其中，N为大于或等于2的正整数，沿靠近所述第一表面向远离所述第一表面的方向，所述正极材料子层内的固态电解质的分布密度逐层增大。

本公开的一些实施例中，N为大于或等于4的正整数，沿靠近所述第一表面向远离所述第一表面的方向，第1个正极材料子层至第N-1个正极材料子层中，相邻正极材料子层的固态电解质的分布密度之差为D1，第N个正极材料子层与第N-1个正极材料子层的固态电解质的分布密度之差为D2，D2大于D1。

本公开的一些实施例中，至少一层所述材料子层本体内的固态电解质呈颗粒状，呈颗粒状的所述固态电解质的粒径为1～500nm。

本公开的一些实施例中，至少两个所述正极材料子层内的固态电解质的预设形状不同。

本公开的一些实施例中，沿靠近所述第一表面向远离所述第一表面的方向，第1个正极材料子层至第m个正极材料子层内的固态电解质的预设形状为线状、棒状或片状，第m+1个正极材料子层至第N个正极材料子层内的固态电解质的预设形状为颗粒状，其中，m为大于或等于1的正整数，N大于m。

本公开的一些实施例中，当m大于或等于2时，第1个正极材料子层至第m个正极材料子层内的固态电解质的预设形状相同。

本公开的一些实施例中，一层所述材料子层本体的厚度为5μm～50μm。

本公开的一些实施例中，所述固态电解质包括磷酸钛铝锂、磷酸锗铝锂、锆酸镧锂、钛酸镧锂、锂磷硫氯和锂锗磷硫中的一种。

根据本公开的第二方面，提供了一种锂电池，包括如上所述的正极片。

根据本公开的第三方面，提供了一种电子设备，包括如上所述的锂电池。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开提供的正极片中，正极材料层覆盖在正极集流体的第一表面，正极材料层包括N个正极材料子层，各正极材料子层中掺杂有多个固态电解质，通过固态电解质保持正极材料层的低温导锂性能，从而能够有效提升锂电池的低温放电性能。同时每层中的多个固态电解质呈预设形状，进而通过设计固态电解质的形状提升固态电解质的导锂通路的连通度，以进一步提高正极材料层的导锂性能，从而能够进一步提升锂电池的低温放电性能。

此外，沿靠近正极集流体的第一表面向远离第一表面的方向，通过使正极材料子层内的固态电解质的分布密度逐层增大，使得正极材料层远离正极集流体的一侧具有更多的锂离子传导通道，以确保锂离子的均匀分布和传输，同时，减少了正极材料层靠近正极集流体的一侧上的固态电解质的含量，如此设计，在保证能够提升锂电池的低温放电性能的同时，降低了正极材料层固态电解质的含量，进而提高了正极材料层的压实密度和能量密度，从而提高了锂电池的能量密度。本公开提供的正极片能够同时兼顾并平衡锂电池的低温放电性能和锂电池的能量密度，从而有效提升了用户的使用体验。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的正极片的剖面示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的正极片的剖面示意图。

图中：

10-正极集流体；101-第一表面；20-正极材料层；21-正极材料子层；211-电子导电剂；212-正极活性材料；213-固态电解质。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

随着锂电池在各个领域应用的越来越广泛，例如手机等电子设备、汽车动力电池、储能电池等领域，用户对锂电池的性能要求越来越高，例如锂电池的低温放电性能。锂电池在低温环境下放电时，锂电池内各种活性物质活性降低，导致导电性能下降，从而导致锂电池在低温环境下放电量远小于在室温环境下的放电量，使得锂电池在低温环境的续航能量较差。示例性地，随着温度的降低，电解液的粘度逐渐增大，锂离子在电解中的迁移速率逐渐变低，从而导致锂电池的放电量越来越小，甚至无法放电。

为了提高锂电池的低温放电性能，相关技术通常采用提高电解液的活性，以降低电解液在低温环境下导锂性能的下降速度。然而，在提高电解液活性的同时，电解液与锂电池的正极材料层和负极材料层的有害界面反应也会被加快，使得提高低温放电性能后的锂电池在常温或高温环境下应用时的性能不佳。因此，通过提高电解液的活性以提高锂电池的低温放电性能的方式，无法平衡锂电池的低温放电性能和高温放电性能。

对此，相关技术中采用固态电解质进行锂离子的传导，示例性地，在锂电池的正极片中掺入一定量的固态电解质。在低温环境下，电解液由于粘度增加、导锂性能下降明显，而固态电解质的物理性质和化学性能受温度变化的因素影响较小，从而使得固态电解质的导锂性能在低温环境下仍然可以得到保持。因此，在锂电池的正极片中掺入一定量的固态电解质可以使锂电池的低温放电性能得到提升，同时对锂电池的高温性能造成的损失较低。

然而，在正极片掺入固态电解质的方式会降低正极片的正极材料层的压实密度，进而会降低锂电池的能量密度，影响了锂电池的容量、充放电速率等性能，从而使得该方案无法同时兼顾锂电池的低温放电性能和锂电池的能量密度，降低了用户的使用体验。

为了解决以上技术问题，本公开提供的正极片中，正极材料层覆盖在正极集流体的第一表面，正极材料层包括N个正极材料子层，各正极材料子层中掺杂有多个固态电解质，通过固态电解质保持正极材料层的低温导锂性能，从而能够有效提升锂电池的低温放电性能。同时每层中的多个固态电解质呈预设形状，进而通过设计固态电解质的形状提升固态电解质的导锂通路的连通度，以进一步提高正极材料层的导锂性能，从而能够进一步提升锂电池的低温放电性能。

此外，沿靠近正极集流体的第一表面向远离第一表面的方向，通过使正极材料子层内的固态电解质的分布密度逐层增大，在提升锂电池的低温放电性能的同时，降低了固态电解质的含量，进而提高了正极材料层的压实密度和能量密度，从而提高了锂电池的能量密度。本公开提供的正极片能够同时兼顾并平衡锂电池的低温放电性能和锂电池的能量密度，从而有效提升了用户的使用体验。

本公开一示例性实施例提供了一种正极片，如图1所示，正极片包括正极集流体10和正极材料层20，正极材料层20覆盖正极集流体10的第一表面101，示例性地，将正极材料通过挤压涂或喷涂等方式涂覆于正极集流体10的第一表面101上，对涂覆有正极材料的正极集流体10进行烘烤，之后对烘烤完成后的正极集流体10通过辊压将正极材料进行压实后形成正极材料层20。

正极材料层20包括N个正极材料子层21，示例性地，先形成第一个正极材料子层21，在第一个正极材料子层21上形成第二正极材料子层21，以此类推，直至形成N个正极材料子层21，其中，N为大于或等于2的正整数。

各正极材料子层21均包括材料子层本体，示例性地，材料子层本体包括正极活性材料212、粘结剂和电子导电剂211，材料子层本体中的粘结剂使得该材料子层与正极集流体10之间、或者使得该材料子层与其相邻的材料子层之间的连接稳定性，从而有效防止因外力因素导致正极集流体10和各正极材料子层21发生移位或脱落，从而有助于提高锂电池的结构完整性和稳定性。材料子层本体的电子导电剂211能够促进电子和锂离子的传输，从而有效提高了锂电池的性能和循环稳定性。

各正极材料子层21中还包括分散设置于材料子层本体内的多个固态电解质213，示例性地，在对涂覆有正极材料的正极集流体10进行烘烤之后，通过流延的方式将多个固态电解质213涂覆该正极材料的表面，之后通过辊压使得多个固态电解质213的至少部分固态电解质213渗入正极材料间隙中，提升了正极片的压实密度，从而能够提高锂电池的能量密度。可以理解的是，流延的方式指的是将携带有多个固态电解质213的浆料流动至正极材料的表面，在表面张力的作用下，形成光滑的表面。

由于固态电解质213的物理性质和化学性能受温度变化的因素影响较小，从而使得固态电解质213的导锂性能在低温环境下仍然可以得到保持。因此，通过在各正极材料子层21中设置多个固态电解质213，能够有效提升锂电池的低温放电性能。

各正极材料子层21中的多个固态电解质213呈预设形状，示例性地，预设形状例如可以为颗粒状、线状、棒状或片状等形貌。通过设计固态电解质213的形状能够提升固态电解质213的导锂通路的连通度，以进一步提高正极材料层20的导锂性能，从而能够进一步提升锂电池的低温放电性能。

此外，由于正极材料层20靠近锂电池的隔膜的一侧需要更多的锂离子传导通道，以确保锂离子的均匀分布和传输，减少锂电池的内阻和功率损失，从而提高锂电池的容量、能量密度和循环稳定性。示例性地，锂电池包括正极片和负极片，在正极片和负极片之间设置有隔膜。负极片包括负极材料层，正极材料层20和负极材料层之间通过隔膜进行锂离子传输。在充电过程中，锂离子从负极材料层中脱嵌出来，通过隔膜传输至正极材料层20中嵌入。在放电过程中则相反，锂离子从正极材料层20中脱嵌出来，通过隔膜传输至负极材料层中嵌入。若正极材料层20靠近锂电池的隔膜的一侧没有足够的锂离子传导通道，锂离子在充放电过程中可能会出现不均匀的分布，导致部分区域的正极材料层20无法充分利用和嵌入锂离子，从而降低了锂电池的容量和能量密度。同时，不均匀的锂离子传导通道还可能导致锂电池内部的电阻增加，影响了锂电池的充放电速度和功率的输出，从而降低了锂电池的效率和循环寿命。

而对于正极材料层20靠近正极集流体10的另一侧，其主要作用是将正极材料层20上的电流传导至正极集流体10上，因此在这一侧无需更多的锂离子传导通道，而是需要更好的导电性能，以确保锂电池充放电的高效性。

基于此，沿靠近正极集流体10的第一表面101向远离第一表面101的方向，通过使正极材料子层21内的固态电解质213的分布密度逐层增大，在提升锂电池的低温放电性能的同时，降低了固态电解质213的含量，进而能够提高正极材料层20的压实密度和能量密度，从而提高了锂电池的能量密度。

本公开提供的正极片能够同时兼顾并平衡锂电池的低温放电性能和锂电池的能量密度，从而有效提升了用户的使用体验。

继续参考图1，一实施例中，N为大于或等于4的正整数，也即正极材料层20包括层叠设置的至少4个正极材料子层21。沿靠近第一表面101向远离第一表面101的方向，第1个正极材料子层21至第N-1个正极材料子层21中，相邻正极材料子层21的固态电解质213的分布密度之差为D1，示例性地，向第1个正极材料子层21中分散且均匀地加入多个固态电解质213，直至使第1个正极材料子层21的厚度为5～50μm，向第2个正极材料子层21中分散且均匀地加入多个固态电解质213，直至使第2个正极材料子层21的厚度相较于第1个正极材料子层21的厚度增加5％，也即第2个正极材料子层21的厚度为5.25～52.5μm，此时，第1个正极材料子层21中的固态电解质213的分布密度与第2个正极材料子层21中的固态电解质213的分布密度之差为D1。依次类推，沿靠近第一表面101向远离第一表面101的方向，第1个正极材料子层21至第N-1个正极材料子层21中，正极材料子层21的厚度逐层增加5％，而相邻正极材料子层21中的固态电解质213的分布密度之差为D1。

向第N个正极材料子层21中分散且均匀地加入多个固态电解质213，直至使第N个正极材料子层21的厚度相较于第N-1个正极材料子层21的厚度增加例如可以是6％，以使得第N个正极材料子层21与第N-1个正极材料子层21的固态电解质213的分布密度之差为D2，D2大于D1。

采用这样的设置形式，使得最外层的正极材料子层21的分布密度最大，也即最外层的正极材料子层21的含量最多，进而使得正极材料层20靠近锂电池的隔膜的一侧具有更多的锂离子传导通道，确保了锂离子的均匀分布和传输，能够减少锂电池的内阻和功率损失，从而能够有效提高锂电池的低温导电性能。

由于颗粒状的固态电解质213具有良好的接触性，能够与材料子层本体形成更紧密的接触，从而可提高锂离子的传导效率。基于此，一实施例中，至少一层正极材料子层21本体内的固态电解质213呈颗粒状，如此设计，提高了正极材料层20的导锂性能，从而有效提高锂电池的低温放电性能。

呈颗粒状的固态电解质213的粒径为1～500nm，以对固态电解质213的粒径进行缩减，采用这样的设置形式，一方面，能够进一步提高固态电解质213在各层正极材料子层21中的均匀性，从而提高了正极片的压实密度和能量密度。另一方面，减小了锂离子在固态电解质213中的扩散路径，进而降低了电阻，提高了锂离子的迁移速率，从而能够提高正极材料层20的导锂性能。如此设计，可以在提升锂电池的低温放电性能的同时，降低固态电解质213的加入含量，从而提高了锂电池的能量密度。

如图2所示，一实施例中，至少两个正极材料子层21内的固态电解质213的预设形状不同，示例性地，N个正极材料子层21中的一个正极材料子层21中的固态电解质213呈颗粒状，N个正极材料子层21中的另一个正极材料子层21中的固态电解质213呈线状。例如，使第1个正极材料子层21中的固态电解质213设置为片状，有助于正极材料子层21的减薄设计，使第N个正极材料子层21的固态电解质213设置为颗粒状，以提高该层正极材料子层21的导锂性能，从而提升了锂电池的低温放电性能。

在本实施例中，通过使至少两个正极材料子层21内的固态电解质213的预设形状不同，进而可以根据对锂电池的不同设计以及应用需求，灵活设计各正极材料子层21内的固态电解质213的预设形状，从而有效提升了用户的使用体验。

继续参考图2，一实施例中，沿靠近第一表面101向远离第一表面101的方向，第1个正极材料子层21至第m个正极材料子层21内的固态电解质213的预设形状为线状、棒状或片状，第m+1个正极材料子层21至第N个正极材料子层21内的固态电解质213的预设形状为颗粒状，其中，m为大于或等于1的正整数，N大于m。示例性地，当N等于4，m等于2时，第1个正极材料子层21内的固态电解质213的预设形状为线状，第2个正极材料子层21内的固态电解质213的预设形状为片状，第3个正极材料子层21和第4个正极材料子层21内的固态电解质213的预设形状为颗粒状。

如此设计，使正极材料层20靠近正极集流体10第一表面101的一侧内的固态电解质213的预设形状为线状、棒状或片状，线状、棒状或片状的固态电解质213具有较高的导电性能，能够提高锂电池的功率输出，从而有效提高了锂电池的充放电速度。使正极材料层20远离正极集流体10第一表面101的另一侧内的固态电解质213的预设形状为颗粒状，能够提高对锂离子的传导效率，从而有效提高了锂电池的低温放电性能。

继续参考图2，一实施例中，当m大于或等于2时，第1个正极材料子层21至第m个正极材料子层21内的固态电解质213的预设形状相同。示例性地，当N等于4，m等于2时，第1个正极材料子层21和第2个正极材料子层21内的固态电解质213的预设形状相同，例如均可为线状。第3个正极材料子层21和第4个正极材料子层21内的固态电解质213的预设形状为颗粒状。

采用这样的设置形式，能够提高形成正极材料层20时的便利性，提高了加工正极片的效率。

一实施例中，一层材料子层本体的厚度为5μm～50μm，示例性地，第1个正极材料子层21的材料子层本体的厚度为5μm，沿靠近第一表面101向远离第一表面101的方向，第1个正极材料子层21至第N个正极材料子层21中，材料子层本体的厚度逐层增加5％。如此设计，使得各材料子层本体的厚度沿靠近第一表面101向远离第一表面101的方向呈梯度分布，在提高了锂电池低温放电性能的同时，减小固态电解质213对锂电池的能量密度的损失，从而能够同时兼顾并平衡锂电池的低温放电性能和锂电池的能量密度，从而有效提升了用户的使用体验。可以理解的是，一层材料子层本体的厚度指的是该层材料子层本体中分散设置有呈预设形状的固态电解质213后的厚度。

一实施例中，固态电解质213包括磷酸钛铝锂、磷酸锗铝锂、锆酸镧锂、钛酸镧锂、锂磷硫氯和锂锗磷硫中的一种，以使固态电解质213具有较高的导锂性能和较低的电阻，从而能够提高锂电池的低温导电性能和充放电速度。

本公开一示例性实施例提供了一种锂电池，包括如上所述的正极片，锂电池还包括负极片和隔膜，负极片包括负极集流体和覆盖于负极集流体第二表面的负极材料层，第二表面与正极集流体10的第一表面101相对，隔膜设置于正极材料层20与负极材料层之间，沿靠近正极集流体10第一表面101向远离第一表面101的方向，也即沿靠近正极集流体10第一表面101向负极集流体第二表面的方向，沿该方向，正极集流体10、正极材料层20、隔膜、负极材料层和负极集流体层叠设置。

在正极集流体10、正极材料层20、隔膜、负极材料层和负极集流体之间还填充有电解液，电解液中的锂盐可以分解成锂离子和相应的阴离子。当锂电池在充电时，锂离子从正极材料层20中脱嵌，通过电解液中的离子移动以穿过隔膜嵌入至负极材料层中，嵌入至负极材料层中的锂离子越多，充电容量越高。当锂电池在放电时，锂离子从负极材料层中脱嵌，通过电解液中的离子移动以穿过隔膜嵌入至正极材料层20中，回到正极材料层20中的锂离子越多，放电容量越高。通过锂离子在充放电过程中的嵌入和脱嵌，以及电子的导电传输，从而实现了锂电池的正常运行。

本实施例提供的锂电池中，正极材料层20包括N个正极材料子层21，各正极材料子层21中掺杂有多个固态电解质213，通过固态电解质213保持正极材料层20的低温导锂性能，从而能够有效提升锂电池的低温放电性能。同时每层中的多个固态电解质213呈预设形状，进而通过设计固态电解质213的形状提升固态电解质213的导锂通路的连通度，以进一步提高正极材料层20的导锂性能，从而能够进一步提升锂电池的低温放电性能。

此外，沿靠近正极集流体10的第一表面101向远离第一表面101的方向，通过使正极材料子层21内的固态电解质213的分布密度逐层增大，在提升锂电池的低温放电性能的同时，降低了固态电解质213的含量，进而提高了正极材料层20的压实密度和能量密度，从而提高了锂电池的能量密度。

如此设计，能够同时兼顾并平衡锂电池的低温放电性能和锂电池的能量密度，从而有效提升了用户的使用体验。

本公开一示例性实施例提供了一种电子设备，电子设备例如可以为手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、车载电子设备、可穿戴设备、超级移动个人计算机(ultra-mobile personal computer，简称UMPC)、上网本或者个人数字助理(personal digitalassistant，简称PDA)等移动设备，还可以为个人计算机(personal computer，简称PC)、电视机(television，简称TV)、柜员机或者自助机等非移动设备等。电子设备包括如上所述的锂电池，如此设计，能够同时兼顾并平衡锂电池的低温放电性能和锂电池的能量密度，从而有效提升了用户的使用体验。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种正极片，其特征在于，所述正极片包括：

正极集流体；

正极材料层，覆盖所述正极集流体的第一表面，所述正极材料层包括N个正极材料子层，各所述正极材料子层均包括材料子层本体以及分散设置于所述材料子层本体内的多个呈预设形状的固态电解质；

其中，N为大于或等于2的正整数，沿靠近所述第一表面向远离所述第一表面的方向，所述正极材料子层内的固态电解质的分布密度逐层增大。

2.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，N为大于或等于4的正整数，沿靠近所述第一表面向远离所述第一表面的方向，第1个正极材料子层至第N-1个正极材料子层中，相邻正极材料子层的固态电解质的分布密度之差为D1，第N个正极材料子层与第N-1个正极材料子层的固态电解质的分布密度之差为D2，D2大于D1。

3.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，至少一层所述材料子层本体内的固态电解质呈颗粒状，呈颗粒状的所述固态电解质的粒径为1～500nm。

4.根据权利要求1至3任一项所述的正极片，其特征在于，至少两个所述正极材料子层内的固态电解质的预设形状不同。

5.根据权利要求4所述的正极片，其特征在于，沿靠近所述第一表面向远离所述第一表面的方向，第1个正极材料子层至第m个正极材料子层内的固态电解质的预设形状为线状、棒状或片状，第m+1个正极材料子层至第N个正极材料子层内的固态电解质的预设形状为颗粒状，其中，m为大于或等于1的正整数，N大于m。

6.根据权利要求5所述的正极片，其特征在于，当m大于或等于2时，第1个正极材料子层至第m个正极材料子层内的固态电解质的预设形状相同。

7.根据权利要求1至3任一项所述的正极片，其特征在于，一层所述材料子层本体的厚度为5μm～50μm。

8.根据权利要求1至3任一项所述的正极片，其特征在于，所述固态电解质包括磷酸钛铝锂、磷酸锗铝锂、锆酸镧锂、钛酸镧锂、锂磷硫氯和锂锗磷硫中的一种。

9.一种锂电池，其特征在于，包括：

如权利要求1至8任一项所述的正极片。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求9所述的锂电池。