CN112151748A

CN112151748A - 负极、电化学装置和电子装置

Info

Publication number: CN112151748A
Application number: CN202011101054.9A
Authority: CN
Inventors: 江兵; 王可飞
Original assignee: Ningde Amperex Technology Ltd
Current assignee: Ningde Amperex Technology Ltd
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2040-10-15
Also published as: CN112151748B; US20220123288A1; EP3985755A1; US11784306B2; CN114373901A

Abstract

本申请的实施例提供了负极、电化学装置和电子装置。负极包括集流体和设置在集流体上的活性物质层，活性物质层的离子电导率为0.01S/m至1S/m。本申请的实施例通过将活性物质层的离子电导率限定为0.01S/m至1S/m，使得电化学装置能够满足快充的要求，同时能够使得在快充条件下，抑制电化学装置的负极表面析锂，保证了电化学装置的安全性能。

Description

负极、电化学装置和电子装置

技术领域

本申请涉及电化学储能领域，尤其涉及负极、电化学装置和电子装置。

背景技术

随着人们对电化学装置(例如，锂离子电池)的需求增加，对电化学装置的快充性能和安全性能的要求也越来越高。随着充电的进行，锂离子在电化学装置的负极进行嵌入，如果嵌锂不及时，则可能会在负极表面发生析锂，甚至生成锂枝晶，生成的锂枝晶可能会刺穿隔离膜，引发短路风险。因此，存在进一步改善电化学装置的快充性能和安全性能的需求。

发明内容

本申请的实施例通过改善活性物质层的离子电导率来提高电化学装置的快充性能和安全性能。

本申请的实施例提供了一种负极，包括集流体和活性物质层。活性物质层设置在集流体上，活性物质层的离子电导率为0.01S/m至1S/m。

在一些实施例中，活性物质层的孔隙率为20％至40％；优选25％至35％。

在一些实施例中，活性物质层包括活性物质和多孔材料。活性物质的平均粒径与多孔材料的平均粒径的比值小于或等于0.8；优选地，小于或等于0.6。

在一些实施例中，活性物质层包括活性物质和多孔材料。活性物质的平均粒径与多孔材料的平均粒径的比值为1.3至3.8；优选地，为1.5至2.5。

在一些实施例中，活性物质的平均粒径为15μm至70μm；优选15μm至30μm。在一些实施例中，多孔材料的平均粒径小于100μm；优选小于等于85μm。在一些实施例中，多孔材料包括多孔陶瓷、活性炭、中间相碳微球(MCMB)、导电碳或埃洛石纳米管中的至少一种。在一些实施例中，活性物质包括石墨和/或硅基材料。在一些实施例中，基于活性物质层的质量，多孔材料的质量含量为0.5％至20％。在一些实施例中，多孔材料的比表面积大于1.5m²/g。

本申请的另一实施例提供了一种电化学装置，包括上述任一负极。

在一些实施例中，电化学装置还包括电解液，其中，电解液包括含S＝O双键化合物。

在一些实施例中，含S＝O双键化合物包括环状硫酸酯、链状硫酸酯、链状磺酸酯、环状磺酸酯、链状亚硫酸酯或环状亚硫酸酯中的至少一种。

在一些实施例中，含S＝O双键化合物包括式1化合物中的至少一种：

其中，W选自

L选自单键或亚甲基；

m为1至4的整数；

n为0至2的整数；且

p为0至6的整数。

在一些实施例中，式1化合物选自以下化合物的至少一种：

在一些实施例中，含S＝O双键化合物在电解液中的质量百分含量y与负极的比表面积S m²/g的关系满足：1.4≤y×100/S≤3.6。

本申请的实施例还提供了一种电子装置，包括上述任一电化学装置。

本申请的实施例通过将活性物质层的离子电导率限定为0.01S/m至1S/m，使得电化学装置能够满足快充的要求，同时能够使得在快充条件下，电化学装置的负极表面基本不析锂或仅轻微析锂，从而避免了由于析锂引起的短路风险，保证了电化学装置在快充条件下的安全性能。

附图说明

图1示出了本申请的实施例的负极的截面图。

图2示出了本申请的实施例的电化学装置的电极组件的截面图。

图3示出了对比例1的析锂测试结果。

图4示出了实施例1的析锂测试结果。

图5示出了实施例2的析锂测试结果。

具体实施方式

下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本申请，但不以任何方式限制本申请。

图1示出了本申请的实施例的负极10的截面图。负极10可以包括集流体100和设置在集流体100上的活性物质层101。应该理解，虽然图1中将活性物质层101示出为位于集流体100的两侧上，但是这仅是示例性的，而不用于限制，也可以仅在集流体100的一侧上设置活性物质层101。

在一些实施例中，活性物质层101的离子电导率为0.01S/m至1S/m。如果活性物质层101的离子电导率太小，例如小于0.01S/m，会使得在电化学装置的快充条件下，容易在负极10的表面发生析锂，甚至形成锂枝晶，而锂枝晶可能会刺穿隔离膜，进而引起短路风险。通过将活性物质层101的离子电导率限定为0.01S/m至1S/m，使得由负极10形成的电化学装置能够满足快充的要求，同时能够使得在快充条件下，电化学装置的负极10的表面基本不会析锂或仅轻微析锂，从而避免了由于析锂引起的短路风险，保证了电化学装置在快充条件下的安全性能。

在一些实施例中，活性物质层101的孔隙率为20％至40％。如果活性物质层101的孔隙率太小，例如小于20％，将不能够为电解液提供充足的渗透通道，降低了锂离子的嵌入速率，从而影响电化学装置的快充性能，并且在快充条件下容易在负极10的表面发生析锂。如果活性物质层101的孔隙率太大，则会影响电化学装置的体积能量密度。在一些实施例中，活性物质层101的孔隙率为25％至35％。通过将活性物质层101的孔隙率设置为25％至35％，能够确保满足锂离子的快速嵌入的情况下，最小化对电化学装置的体积能量密度的影响。

在一些实施例中，活性物质层101可以包括活性物质和多孔材料。在一些实施例中，活性物质可以包括石墨和/或硅基材料。在一些实施例中，活性物质包括但不限于人造石墨、天然石墨、硬碳、硅合金、锡合金或纯硅中的至少一种。在一些实施例中，多孔材料可以包括但不限于多孔陶瓷、活性炭、中间相碳微球(MCMB)、导电碳或埃洛石纳米管中的至少一种。

在一些实施例中，活性物质的平均粒径与多孔材料的平均粒径的比值小于或等于0.8。在一些实施例中，活性物质的平均粒径与多孔材料的平均粒径的比值为1.3至3.8。在一些实施例中，当活性物质的平均粒径小于多孔材料的平均粒径时，活性物质的平均粒径与多孔材料的平均粒径的比值小于或等于0.6，这是由于在颗粒堆积过程中，存在一定粒径差值的颗粒间更容易形成密堆积结构，特别是多孔材料的大颗粒周围容易被小颗粒的活性物质所填充包围，间接提高了接触面积，进而具有更优异的离子电导率和析锂状况。同理地，当活性物质的粒径大于多孔材料的粒径时，活性物质的粒径与多孔材料的粒径的比值为1.5至2.5，存在一定粒径差值的颗粒间更容易形成密堆积结构，即此时活性物质的大颗粒间容易被小颗粒的多孔材料所填充，从而间接提高了接触面积，进而具有更优异的离子电导率和析锂状况。当活性物质的粒径与多孔材料的粒径的比值进一步提高时，多孔材料的粒径过小，易于团聚，且易被活性物质颗粒完全掩埋，无法发挥提供孔道的作用，导致离子电导率的下降以及析锂状况劣化。

在一些实施例中，活性物质的平均粒径和多孔材料的平均粒径通过电镜照片得出的统计平均粒径得到。具体可包括如下步骤：

将样品铺展在测试样品台上，通过扫描电子显微镜拍摄样品照片，然后，使用图像解析软件，从SEM照片中随机地选出10个活性物质或多孔材料颗粒，求出这些活性物质或多孔材料颗粒各自的面积，接着，假设活性物质或多孔材料颗粒是球形，通过以下公式求出各自的粒径R(直径)：

R＝2×(S/π)^1/2；其中，S为活性物质或多孔材料颗粒的面积；

对3张SEM图像进行求出上述活性物质或多孔材料颗粒粒径R的处理，并将所得30(10×3)个活性物质或多孔材料颗粒的粒径进行算数平均，从而求得所述活性物质或多孔材料颗粒的平均粒径。

在一些实施例中，活性物质的平均粒径为15μm至70μm。如果活性物质的粒径太小，例如小于15μm，使得活性物质的比表面积较大，消耗过多的电解液。如果活性物质的粒径过大，例如，大于70μm，则不利于负极10的压实密度的提升，从而影响电化学装置的体积能量密度。

在一些实施例中，多孔材料的平均粒径小于100μm。如果多孔材料的粒径过大，则不利于负极10的压实密度的提升，从而影响电化学装置的体积能量密度。

在一些实施例中，活性物质层101中的多孔材料的质量含量为0.5％至20％。如果活性物质层101中的多孔材料的质量含量太低，例如，低于0.5％，则多孔材料改善电解液的渗透通道进而提高锂离子的嵌入速率的效果有限。如果活性物质层101中的多孔材料的质量含量太高，例如，高于20％，则使得活性物质层101中的活性物质的含量受影响，进而不利于电化学装置的体积能量密度。

在一些实施例中，多孔材料的比表面积大于1.5m²/g。如果孔材料的比表面积太小，例如，在1.5m²/g以下，会弱化改善电解液的渗透通道的效果，并且也不利于电化学装置的体积能量密度的提升。

在一些实施例中，集流体100可以采用铜箔、镍箔或碳基集流体中的至少一种，当然，也可以采用本领域常用的其他负极集流体。在一些实施例中，集流体100的厚度可以为1μm至200μm。

在一些实施例中，活性物质层101中还可以包括导电剂。活性物质层101中的导电剂可以包括导电炭黑、科琴黑、片层石墨、石墨烯、碳纳米管或碳纤维中的至少一种。应该理解，以上公开的材料仅是示例性，活性物质层101可以采用任何其他合适的材料。在一些实施例中，活性物质层101中还可以包括粘结剂。在一些实施例中，活性物质层101中的粘结剂可以包括聚偏二氟乙烯、偏氟乙烯-氟化烯烃的共聚物、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚胺酯、氟化橡胶或聚乙烯醇中的至少一种。在一些实施例中，活性物质层101中的活性物质、多孔材料、导电剂和粘结剂的质量比可以为72～98.5：0.5～20：0～3：1～5。应该理解，以上所述仅是示例，可以采用任何其他合适的质量比。在一些实施例中，活性物质层101的压实密度为1.0g/cc至1.90g/cc。如果活性物质层101的压实密度太小，例如小于1.0g/cc，则不利于电化学装置的体积能量密度。如果活性物质层101的压实密度太大，例如，大于1.90g/cc，则不利于电解液的渗透。

在一些实施例中，本公开还提供了一种电化学装置，该电化学装置包括上面所述的负极10。

在一些实施例中，电化学装置还包括电解液，其中，电解液包括含S＝O双键化合物。在一些实施例中，含S＝O双键化合物包括环状硫酸酯、链状硫酸酯、链状磺酸酯、环状磺酸酯、链状亚硫酸酯或环状亚硫酸酯中的至少一种。电解液中的含S＝O双键化合物能够在负极10的表面形成完整的高离子导通性固体电解质膜，从而进一步提高离子电导率，改善电化学装置的快充性能和安全性能。

其中，W选自

L选自单键或亚甲基；m为1至4的整数；n为0至2的整数；且p为0至6的整数。在一些实施例中，式1化合物选自以下化合物的至少一种：

在一些实施例中，含S＝O双键化合物在电解液中的质量百分含量y与负极10的比表面积S m²/g的关系满足：1.4≤y×100/S≤3.6。当满足关系1.4≤y×100/S≤3.6时，能够显著提高负极10的离子电导率和电化学装置的首次库伦效率，并且能够改善析锂性能和容量保持率。如果含S＝O双键化合物的质量百分含量y太小，例如使得y×100/S小于1.4，则含S＝O双键化合物提高离子电导率的作用有限。如果含S＝O双键化合物的质量百分含量y太大，例如使得y×100/S大于3.6，则含S＝O双键化合物在负极10的表面形成的固体电解质膜过厚，反而不利于锂离子的传输，降低电化学装置的快充性能和安全性能。

在一些实施例中，电化学装置包括锂离子电池，但是本申请不限于此。在一些实施例中，电化学装置还可以包括电解质。电解质可以是凝胶电解质、固态电解质和上述电解液中的一种或多种。在一些实施例中，电解液还可以包括锂盐和非水溶剂。锂盐选自LiPF₆、LiBF₄、LiAsF₆、LiClO₄、LiB(C₆H₅)₄、LiCH₃SO₃、LiCF₃SO₃、LiN(SO₂CF₃)₂、LiC(SO₂CF₃)₃、LiSiF₆、LiBOB或者二氟硼酸锂中的一种或多种。例如，锂盐选用LiPF₆，因为它可以给出高的离子导电率并改善循环特性。

非水溶剂可选自碳酸酯化合物、羧酸酯化合物、醚化合物、其它有机溶剂或它们的组合。

碳酸酯化合物可选自链状碳酸酯化合物、环状碳酸酯化合物、氟代碳酸酯化合物或其组合。

链状碳酸酯化合物可选自碳酸二乙酯(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)及其组合。所述环状碳酸酯化合物的实例为碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)或者其组合。所述氟代碳酸酯化合物可选自碳酸氟代亚乙酯(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、碳酸三氟甲基亚乙酯或者其组合。

羧酸酯化合物可选自乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸叔丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、γ-丁内酯、癸内酯、戊内酯、甲瓦龙酸内酯、己内酯、甲酸甲酯或者其组合。

醚化合物可选自二丁醚、四甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、1,2-二甲氧基乙烷、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、2-甲基四氢呋喃、四氢呋喃或者其组合。

其它有机溶剂可选自二甲亚砜、1,2-二氧戊环、环丁砜、甲基环丁砜、1,3-二甲基-2-咪唑烷酮、N-甲基-2-吡咯烷酮、甲酰胺、二甲基甲酰胺、乙腈、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三辛酯和磷酸酯或者其组合。

在一些实施例中，如图2所示，电化学装置可以包括上述负极10、隔离膜11和正极极片12，其中隔离膜11设置在正极极片12和负极10之间。在一些实施例中，隔离膜11可以包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或芳纶中的至少一种。例如，聚乙烯包括选自高密度聚乙烯、低密度聚乙烯或超高分子量聚乙烯中的至少一种。尤其是聚乙烯和聚丙烯，它们对防止短路具有良好的作用，并可以通过关断效应改善电池的稳定性。在一些实施例中，隔离膜11的厚度在约5μm至500μm的范围内。

在一些实施例中，隔离膜11的表面还可以包括多孔层，多孔层设置在隔离膜11的至少一个表面上，多孔层包括无机颗粒和粘结剂，无机颗粒选自氧化铝(Al₂O₃)、氧化硅(SiO₂)、氧化镁(MgO)、氧化钛(TiO₂)、二氧化铪(HfO₂)、氧化锡(SnO₂)、二氧化铈(CeO₂)、氧化镍(NiO)、氧化锌(ZnO)、氧化钙(CaO)、氧化锆(ZrO₂)、氧化钇(Y₂O₃)、碳化硅(SiC)、勃姆石、氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙或硫酸钡中的至少一种。在一些实施例中，隔离膜11的孔具有在约0.01μm至1μm的范围的直径。多孔层的粘结剂选自聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素钠、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯或聚六氟丙烯中的至少一种。隔离膜11的表面的多孔层可以提升隔离膜11的耐热性能、抗氧化性能和电解质浸润性能，增强隔离膜11与极片之间的粘接性。

在一些实施例中，正极极片12可以包括集流体120和设置在集流体120上的活性物质层121。应该理解，虽然图2中将活性物质层121示出为设置在集流体120的两侧上，但是这仅是示例性的，活性物质层121可以仅设置在集流体120的一侧上。正极极片12的集流体121可以采用Al箔，当然，也可以采用本领域常用的其他集流体。在一些实施例中，集流体121的厚度可以为1μm至200μm。

在一些实施例中，活性物质层121可以包括活性物质、导电剂和粘结剂。在一些实施例中，活性物质层121中的活性物质可以包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂或镍锰酸锂中的至少一种。在一些实施例中，活性物质层121中的导电剂可以包括导电炭黑、科琴黑、片层石墨、石墨烯、碳纳米管或碳纤维中的至少一种。在一些实施例中，活性物质层121中的粘结剂可以包括聚偏二氟乙烯、偏氟乙烯-氟化烯烃的共聚物、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚胺酯、氟化橡胶或聚乙烯醇中的至少一种。在一些实施例中，活性物质层121中的活性物质、导电剂和粘结剂的质量比可以为92～98.5：0.5～3：1～5。应该理解，以上所述仅是示例，活性物质层121可以采用任何其他合适的材料、厚度和质量比。

在本申请的一些实施例中，电化学装置的电极组件为卷绕式电极组件或堆叠式电极组件。

在本申请的一些实施例中，以锂离子电池为例，将正极极片、隔离膜、负极按顺序卷绕或堆叠成电极组件，之后装入例如铝塑膜中进行封装，注入电解液，化成、封装，即制成锂离子电池。然后，对制备的锂离子电池进行性能测试。

本领域的技术人员将理解，以上描述的电化学装置(例如，锂离子电池)的制备方法仅是实施例。在不背离本申请公开的内容的基础上，可以采用本领域常用的其他方法。

本申请的实施例还提供了包括上述电化学装置的电子装置。本申请实施例的电子装置没有特别限定，其可以是用于现有技术中已知的任何电子装置。在一些实施例中，电子装置可以包括，但不限于，笔记本电脑、笔输入型计算机、移动电脑、电子书播放器、便携式电话、便携式传真机、便携式复印机、便携式打印机、头戴式立体声耳机、录像机、液晶电视、手提式清洁器、便携CD机、迷你光盘、收发机、电子记事本、计算器、存储卡、便携式录音机、收音机、备用电源、电机、汽车、摩托车、助力自行车、自行车、照明器具、玩具、游戏机、钟表、电动工具、闪光灯、照相机、家庭用大型蓄电池和锂离子电容器等。

下面列举了一些具体实施例和对比例以更好地对本申请进行说明，其中，采用锂离子电池作为示例。

实施例1

正极极片的制备：将正极活性物质钴酸锂、导电剂导电炭黑、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按重量比97.6：1.1：1.3的比例溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，形成正极浆料。采用铝箔作为正极集流体，将正极浆料涂覆于正极集流体上，涂布厚度为50μm，经过干燥、冷压、分切后得到正极极片。

负极的制备：将负极活性物质人造石墨、多孔材料中间相碳微球和粘结剂丁苯橡胶按重量比98.2：0.5：1.3的比例溶于去离子水中，形成负极浆料。采用10μm厚度的铜箔作为负极集流体，将负极浆料涂覆于负极集流体上，厚度为60μm，干燥，得到负极活性物质层，分切后得到负极。

隔离膜的制备：隔离膜基材为8μm厚的聚乙烯(PE)，在隔离膜基材的两侧各涂覆2μm氧化铝陶瓷层，最后在涂布了陶瓷层的两侧各涂覆2.5mg的粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)，烘干。

电解液的制备：在含水量小于10ppm的环境下，将六氟磷酸锂与非水有机溶剂(碳酸乙烯酯(EC)：碳酸丙烯酯(PC)：聚丙烯(PP)：二乙基碳酸酯(DEC)＝1：1：1：1，重量比)配制成基础电解液，其中，LiPF₆的浓度为1.15mol/L。另外，在一些实施例中，在基础电解液中可以添加一定量的式1化合物，

锂离子电池的制备：将正极极片、隔离膜、负极按顺序依次叠好，使隔离膜处于正极极片和负极中间起到隔离的作用，并卷绕得到电极组件。将电极组件置于外包装铝塑膜中，在80℃下脱去水分后，注入上述电解液并封装，经过化成、脱气、切边等工艺流程得到锂离子电池。

其他实施例和对比例是在实施例1步骤的基础上进行参数变更。具体变更的参数如下表所示。

下面描述本申请的各个参数的测试方法。

离子电导率测试方法

(1)将铝塑膜、极片、隔离膜用前60℃烘烤4h；

(2)刀模准备，23×35×2mm；

(3)制作的极片用陶瓷剪刀剪成比刀模尺寸大些的小片放在刀模上进行冲切，冲切好的极片用镊子取出备用；

(4)然后将极片做成单层对称电池；

(5)将对称电池置于电化学工作站测试EIS，设置频率0.5Hz～200kHz，扰动电压为10mV；

(6)通过EIS两条直线的交点，计算出极片的离子电阻Rion；

(7)极片离子电导率＝d(极片厚度)/(Rion×A(极片面积))。

活性物质和多孔材料平均粒径的测试方法

将样品铺展在测试样品台上，通过扫描电子显微镜拍摄样品照片，然后，使用图像解析软件，从SEM照片中随机地选出10个活性物质颗粒，求出这些活性物质颗粒各自的面积，接着，假设活性物质颗粒是球形，通过以下公式求出各自的粒径R(直径)：

R＝2×(S/π)^1/2；其中，S为活性物质颗粒的面积；

对3张SEM图像进行求出上述活性物质颗粒粒径R的处理，并将所得30(10×3)个活性物质颗粒的粒径进行算数平均，从而求得所述活性物质颗粒的平均粒径D1。

使用上述与活性物质平均粒径相同的测试方法，测试多孔材料的平均粒径D2。

孔隙率的测试方法

极片孔隙率测试方法全部采用压汞仪，具体操作如下：

(1)取一侧表面完全覆盖活性物质层的极片作为样品；

(2)预计样品的密度和孔隙率，选择合适的膨胀计；

(3)样品先放烘箱烘烤2h，去除水分，分析前称量样品重量；

(4)样品装入膨胀计，密封好后称量重量，此为样品+膨胀计重量；

(5)将膨胀计装入低压站，编辑好低压文件开始低压分析；

(6)低压分析结束后，将膨胀计取出称量重量，此为样品+膨胀计+汞的重量；

(7)将膨胀计装入高压站，注意将膨胀计固定后再将高压仓头旋入，旋至底部并赶气泡；

(8)开始高压分析，按提示松开或旋紧排空阀；

(9)高压分析结束，将膨胀计取出清洗，测试结束。

此时测得的为极片孔隙率X；

将极片孔隙率X换算为活性物质层孔隙率V的方法如下：

在极片表面随机选择10处，测量极片的平均厚度为H；

利用有机溶剂将极片表面的活性物质层洗除，在集流体表面随机选择10处，测量集流体的平均厚度为h；

活性物质层孔隙率V＝极片孔隙率X×H/(H-h)。

首次库伦效率和容量保持率的测试方法

在25℃下，将锂离子电池以1C恒流充电至4.45V，然后以4.45V恒压充电至电流为0.05C，记录首次充电容量；再以1C恒流放电至3.0V，得到放电容量，即为首次放电容量。以首次放电容量/首次充电容量即为首次库伦效率。

将上述步骤重复300次，记录第300次的放电容量，以第300次的放电容量/首次放电容量，即为第300次循环的容量保持率。

体积能量密度的测试方法

在25℃下，将锂离子电池以02C恒流充电至4.45V，然后以4.45V恒压充电至电流为0.05C；再以02C恒流放电至3.0V，得到放电容量，即为电池容量。

体积能量密度(Wh/L)＝电池容量(mAh)×放电平台(mV)/厚度(mm)/宽度(mm)/长度(mm)。

析锂测试方法

将制得的锂离子电池在1C倍率下进行大倍率充电，充电至100％SOC拆解电池观察负极表面，50％以上面积存在深灰色金属层的定义为严重析锂，10-50％面积存在浅灰色金属层的定义为中度析锂，5-10％面积存在浅灰色金属层的定义为轻微析锂，5％面积以下存在或不存在浅灰色金属层的定义为不析锂。

极片比表面积的测试方法

在低温(液氮浴)条件下，向样品管内通入一定量的吸附质气体(N₂)，通过控制样品管中的平衡压力直接测得吸附分压，通过气体状态方程得到该分压点的吸附量；通过逐渐投入吸附质气体增大吸附平衡压力，得到吸附等温线；通过逐渐抽出吸附质气体降低吸附平衡压力，得到脱附等温线。

表1示出了实施例1～6和对比例1的各个参数和评估结果，其中，实施例2～6、对比例1仅在负极的制备方面与实施例1不同。

表1

通过比较实施例1至6和对比例1可知，离子电导率在0.01S/m以上的实施例1～6相比于离子电导率较小的对比例1，具有较优的析锂，电化学装置的安全性能显著提高。另外，当离子电导率提高至0.015S/m以上时(如实施例2～6)，仅轻微至不析锂，能够在大倍率充电条件下，保证电化学装置的安全性能。图3示出了对比例1的析锂测试结果，图4示出了实施例1的析锂测试结果，图5示出了实施例2的析锂测试结果。

另外，在负极的活性物质层的孔隙率在23％至40％范围内时，锂离子电池的首次库伦效率和离子电导率均较优，首次库伦效率在90％以上。

这是由于多孔材料的加入，在活性物质层纵向方向提供了更多的电解液渗透通道，保证了锂离子可从侧面嵌入，相比于仅从极片平行表面的嵌入，大大提高了锂离子的嵌入速率，保证了在大倍率充电条件下，锂离子的快速嵌入，避免了析锂现象的发生，显著提升了锂离子电池的快充性能和安全性能。

表2示出了实施例7～19的各个参数和评估结果，其中，实施例7～19仅在负极的制备方面与实施例1不同。

表2

通过比较实施例1和实施例7～19可知，活性物质的平均粒径与多孔材料的平均粒径的比值小于等于0.8或者为1.3至3.8的实施例7～19具有改善的离子电导率和析锂状况，这是由于增大活性物质颗粒与多孔材料之间的粒径差值有利于提高两者之间的接触面积，充分发挥多孔材料向活性物质传导锂离子的作用。进一步地，通过比较实施例7～8和实施例9～12可知，活性物质的粒径与多孔材料的平均粒径之比小于等于0.6时，锂离子电池的离子电导率、析锂状况均较优，这是由于颗粒堆积过程中，存在一定粒径差值的颗粒间更容易形成密堆积结构，特别是多孔材料的大颗粒周围容易被小颗粒的活性物质石墨所填充包围，间接提高了它们之间的接触面积，进而具有更优异的离子电导率和析锂状况。同理地，通过比较实施例13～15和实施例16～18可知，当活性物质石墨的粒径与多孔材料的平均粒径的比值为1.5-2.5时，锂离子电池的离子电导率、析锂状况均较优，存在一定粒径差值的颗粒间更容易形成密堆积结构，特别是活性物质石墨的大颗粒间容易被小颗粒的多孔材料所填充，间接提高了它们之间的接触面积，进而具有更优异的离子电导率和析锂状况；而当石墨的粒径与多孔材料的粒径的比值进一步提高时，多孔材料的粒径过小，易于团聚，且易被活性物质颗粒完全掩埋，无法充分地发挥提供孔道的作用，导致离子电导率的下降以及析锂状况劣化。

表3示出了实施例7、20～24的各个参数和评估结果，其中，实施例20～24的电解液中添加了式1-1的化合物。

表3

式1化合物含量与极片比表面积满足关系1.4≤y×100/S≤3.6，能够显著提高锂离子电池的离子电导率和首次库伦效率，并且改善析锂性能和容量保持率。这是由于适量的式1化合物能够在极片表面进一步形成完整的高离子导通性固体电解质膜，从而进一步提高离子电导率，改善快充安全性能。当y×100/S＜1.4时，式1化合物含量太少，不能够充分地形成完整的高离子导通性固体电解质膜。而当式1化合物过量时，例如y×100/S>3.6，形成的固体电解质膜过厚，反而不利于锂离子的传输，快充安全性降低。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims

1.一种负极，其特征在于，包括：

集流体；

活性物质层，设置在所述集流体上，所述活性物质层的离子电导率为0.01S/m至1S/m。

2.根据权利要求1所述的负极，其中，所述活性物质层的孔隙率为20％至40％。

3.根据权利要求1所述的负极，其中，所述活性物质层包括活性物质和多孔材料，所述活性物质的平均粒径与所述多孔材料的平均粒径的比值小于或等于0.8；优选地，小于或等于0.6。

4.根据权利要求1所述的负极，其中，所述活性物质层包括活性物质和多孔材料，所述活性物质的平均粒径与所述多孔材料的平均粒径的比值为1.3至3.8；优选地，为1.5至2.5。

5.根据权利要求3或4所述的负极，其中，所述负极满足以下条件中的至少一个：

所述活性物质的平均粒径为15μm至70μm；

所述活性物质包括石墨和/或硅基材料；

所述多孔材料的平均粒径小于100μm；

所述多孔材料包括多孔陶瓷、活性炭、中间相碳微球、导电碳或埃洛石纳米管中的至少一种；

基于所述活性物质层的质量，所述多孔材料的质量含量为0.5％至20％；

所述多孔材料的比表面积大于1.5m²/g。

6.一种电化学装置，其特征在于，包括根据权利要求1至5中任一项所述的负极。

7.根据权利要求6所述的电化学装置，还包括电解液，其中，所述电解液包括含S＝O双键化合物。

8.根据权利要求7所述的电化学装置，其中，所述含S＝O双键化合物包括环状硫酸酯、链状硫酸酯、链状磺酸酯、环状磺酸酯、链状亚硫酸酯或环状亚硫酸酯中的至少一种。

9.根据权利要求7所述的电化学装置，其中，所述含S＝O双键化合物包括式1化合物中的至少一种：

其中，W选自

L选自单键或亚甲基；

m为1至4的整数；

n为0至2的整数；且

p为0至6的整数。

10.根据权利要求9所述的电化学装置，其中，所述式1化合物选自以下化合物的至少一种：

11.根据权利要求9所述的电化学装置，其中，所述含S＝O双键化合物在所述电解液中的质量百分含量y与所述负极的比表面积Sm²/g的关系满足：1.4≤y×100/S≤3.6。

12.一种电子装置，其特征在于，包括根据权利要求6至11中任一项所述的电化学装置。